弹性高超声速飞行器分解式输出反馈预测控制

摘要

针对带参数不确定性和扰动的弹性高超声速飞行器，提出一种基于事件触发的分解式输出反馈管道模型预测控制(Tube-MPC)方法．首先，将不确定非线性模型建模为包含附加集总扰动的多胞线性变参数(LPV)模型，并设计龙伯格观测器以估计弹性状态．为确定观测误差边界，提出迭代算法计算凸观测误差不变集，将凸观测误差不变集与凸扰动集结合形成增广误差不变集，从而设计分解式观测、标称及参考模型，基于凸集顶点，将预测状态管表示为分解后子管的闵可夫斯基和形式．其次，设计子管的辅助反馈控制器和标称控制器，以保证各子管的渐近稳定，并进一步证明了整个系统的稳定性．由于子管的数量与预测步长成正比，为保证子管的预测控制序列满足约束条件，提出了子管输入约束缩减策略．在子管的辅助反馈误差系统中，通过线性矩阵不等式(LMI)优化求解子控制序列，并在每个时刻根据历史子控制序列缩减控制约束．对于子管的标称误差系统，根据凸集顶点缩紧标称控制约束，并优化求解控制增益，利用闵可夫斯基和获得实际控制序列．随后，为降低计算量和保守性，基于观测误差不变集设计了事件触发机制，该机制通过离线计算不变集序列，在线匹配刚体观测误差与不变集，来确定弹性观测误差对应的观测误差不变集，当不变集发生变化时，更新增广误差不变集和控制增益．最后，仿真结果表明，所提方法能显著提升弹性高超声速飞行器在不确定和扰动条件下的控制性能．

关键词

弹性高超声速飞行器 / 管道模型预测控制 / 事件触发 / 凸观测误差不变集

基金资助

国家自然科学基金资助项目(62373271)