利用Q 參數法的飛機自動駕駛設計

Abstract

飛行控制系統是相當複雜的控制系統，除了含有非線性，狀態耦連（state coupling ）的特性外，還具有時變性。如此繁複的系統，至今尚無一種固定的設計方法可循。 傳統的設計方式是忽略狀態耦連的特性，將飛行控制系統分成多個單變數（SISO）的 子系統，以古典補償設計的方法，分別對子系統設計控制器。模式簡化後，固然可使 控制器設計的困難度降低，但模式化誤差（modeling error）亦隨之增大。較積極的 設計概念是，以較精確的耦連數學模式，代表真實的物理系統，並由近代控制的多變 數設計觀點，設計控制器。 本論文中，我們使用Q 參數化的方法作飛行控制器設計。設計的目標是使飛行系統具 有輸出入解耦（I/O decoupling），良好穩定性及命令追蹤能力。設計過程是運用雙 步補償架構（tew-step compensation scheme）－－內環路設計使系統穩定，外環路 則完成解耦追蹤設計。同時，我們由穩定度穩健性（robust stability）和系統響應 的觀點，探討Q 參數解耦設計中，輸出入映射（I/O map ）的選擇問題。除此之外， 我們並以飛機的三種典型飛行模式，包括ぇ垂直爬升、俯衝え維持高度轉彎及ぉ轉彎 中爬升俯衝為設計目標，依各模式的物理特性，下達適當的追蹤命令，設計控制器。 從模擬的結果顯示，下達的追蹤命令和設計的追蹤系統可幫助飛機完成各模式的飛行 動作。 章節上的安排是這樣的。第二章將作飛行系統的特性描述。第三章討論Q 參數化的方 法、相關定理及控制器設計架構。關於Q 參數解耦設計的輸出入映射的特生及選擇法 ，將在第四章介紹。第五章則針對三種典型的飛行模式加以研究，並設計控制器。第 六章則總結全文。