基于低阶干扰估计器的欠驱动三自由度直升机鲁棒控制

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29056

全驱系统理论及其在航空航天领域的应用专栏

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基于低阶干扰估计器的欠驱动三自由度直升机鲁棒控制

杨梓霄¹, 李世尧¹^,², 魏晨¹, 李湛², 朱波¹()

^1.中山大学航空航天学院，深圳 518107
^2.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001

收稿日期:2023-05-29 修回日期:2023-06-21 接受日期:2023-08-30 出版日期:2023-09-15 发布日期:2023-09-13
通讯作者: 朱波 E-mail:zhubo5@mail.sysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62373386)

Robust control of underactuated 3-DOF helicopter based on lower order disturbance estimator

Zixiao YANG¹, Shiyao LI¹^,², Chen WEI¹, Zhan LI², Bo ZHU¹()

^1.School of Aeronautics and Astronautics，Sun Yat-Sen University，Shenzhen 518107，China
^2.School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Received:2023-05-29 Revised:2023-06-21 Accepted:2023-08-30 Online:2023-09-15 Published:2023-09-13
Contact: Bo ZHU E-mail:zhubo5@mail.sysu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62373386)

摘要/Abstract

摘要：

针对模型不确定且外部未知扰动影响显著的欠驱动三自由度（3-DOF）直升机，本文设计、分析并实验验证了一种基于不确定性与干扰估计器（UDE）的主动抗扰控制策略。具体地，针对该直升机平台动力学耦合严重且存在欠驱动特性等问题，基于全驱动系统控制思想，发展了一种基于反馈线性化的升降角和偏航角轨迹跟踪策略，同时实现了内部状态（俯仰角）的镇定；在内外环三通道虚拟控制中，进一步设计了一阶UDE，并联合UDE和标称控制，构建了可有效补偿三通道模型不确定和外部扰动的鲁棒控制方案。该方案较好应对了被控对象的欠驱动特性，控制信号连续且光滑，同时干扰补偿器还具有设计参数少、性能调节简单且清晰等优点。借助于奇异摄动理论，分析了闭环系统跟踪误差的收敛性、输入-状态稳定性、及UDE参数对误差最终界的影响规律，揭示了闭环控制系统潜在的多时间尺度属性。仿真和实验结果验证了干扰补偿的必要性，UDE的有效性和其调参的便捷性。

关键词: 三自由度直升机, 欠驱动系统, 不确定性与干扰估计器, 干扰抑制, 时间尺度, 轨迹跟踪

Abstract:

An active disturbance rejection control strategy based on Uncertainty and Disturbance Estimator （UDE） is designed， analyzed， and validated for underactuated 3-Degree-of-Freedom （3-DOF） helicopter affected by significant model uncertainties and external disturbances. In detail， an attitude trajectory tracking strategy of the elevation and travel angles is developed using feedback linearization based on the idea of full-drive theory for the helicopter experimental setup， which exhibits severe dynamic coupling and obvious underactuated characteristics， while the stabilization of the internal state （pitch angle） is guaranteed. Then， the first-order UDE is further proposed and combined with nominal control law to construct a robust control scheme for the design of the virtual control algorithm of the three channels with inner-outer loop structure， which can effectively compensate for uncertainty and external disturbance of the helicopter. The control scheme addresses the underactuated characteristics of the plant with continuous and smooth control signals， while the disturbance compensator has fewer parameters and the adjustment of system performance is concise and clear. Based on the singular perturbation theory， the convergence of tracking error， the input-state stability of the closed-loop system， and the influence of UDE parameters on the ultimate bound of tracking error are analyzed. In addition， the potential multiple time scale attributes of the system are revealed. The necessity of disturbance compensation， the effectiveness of UDE， and the convenience of control parameters adjustment are verified by both simulation and experimental results.

Key words: 3-DOF helicopter, underactuated system, uncertainty and disturbance estimator, disturbance rejection, time scale, trajectory tracking

中图分类号:

V249

杨梓霄, 李世尧, 魏晨, 李湛, 朱波. 基于低阶干扰估计器的欠驱动三自由度直升机鲁棒控制[J]. 航空学报, 2024, 45(1): 629056-629056.

Zixiao YANG, Shiyao LI, Chen WEI, Zhan LI, Bo ZHU. Robust control of underactuated 3-DOF helicopter based on lower order disturbance estimator[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(1): 629056-629056.

图/表 16

图 1

表 1

三自由度直升机标称物理参数

参数	物理意义	数值
$m h$ /kg	直升机质量	1.800
$m b$ /kg	平衡杆质量	0.679
$m c$ /kg	配重块质量	3.433
g/（m·s^-2）	重力加速度	9.807
$I ψ, I ε$ /（kg·m²）	偏航和升降轴转动惯量	1.469
$I θ$ /（kg·m²）	俯仰轴转动惯量	0.032
l_oa /m	系统质心到基座距离	0.223
l_ob /m	配重块到基座距离	0.330
l_oc /m	直升机连接点到基座距离	0.780
l_cd /m	平衡杆到直升机连接点距离	0.100
l_df /m	螺旋桨到连接杆中心距离	0.170

表 1

图 2

图 3

表 2

三自由度直升机模型辨识参数

参数	数值
$b 3$	0.531 0
$c ψ$	0.680 4
$a 1$	0.263 4
$a 2$	1.627 9
$b 1$	0.531 0
$c ε$	0.301 0
$a 3$	25.648 8
$b 2$	5.329 2
$c θ$	0.341 0

表 2

表 3

数值仿真控制参数

参数	数值
$k ψ p, k ε p, k θ p$	0.28， 2.5， 25
$k ψ d, k ε d, k θ d$	1， 2， 20
$T ψ, T ε, T θ$	10， 10， 10
$T ψ, T ε, T θ$	0.1， 0.1， 0.1 10， 10， 5 0.2， 0.2， 0.1

表 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

表 4

实物实验控制参数

参数	数值
$k ψ p, k ε p, k θ p$	0.28， 2.3， 25
$k ψ d, k ε d, k θ d$	1， 2.2， 20
$T ψ, T ε, T θ$	10， 10， 10
$T ψ, T ε, T θ$	1， 1， 1

表 4

图 9

图 10

表 5

实物实验角度均方根误差

UDE使用情况	$升降通道 / (°)$	$偏航通道 / (°)$	$俯仰通道 / (°)$
UDE， T=1	0.571 2	3.842 8	0.503 9
UDE， T=10	0.758 5	5.868 6	0.676 6
无UDE	1.631 9	7.241 8	1.732 8

表 5

图 11

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