CN101221414A - 一种基于积分器的控制律平稳切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于积分器的控制律平稳切换方法，本发明的控制律平稳切换方法通过计算由控制律A切换至控制律B时刻(t₀时刻)的控制量u_a(t₀)、u_b(t₀)；令u_a(t₀)＝u_b(t₀)，解算切换时刻控制量u_b(t₀)的积分器的初值x₀；将积分器的初值x₀带入控制律B得到控制输出，实现控制律的平稳切换。实际运行过程中只针对接入模态进行一次计算，运行效率高，控制律切换实现更为简单；无重叠运算，保证飞机控制系统的稳定性。

Description

一种基于积分器的控制律平稳切换方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制领域，具体地说是指一种基于积分器的控制律平稳切换方法。

背景技术

无人机飞行控制系统通常由飞控计算机、传感器和伺服机构组成，飞控计算机根据输入的传感器信息、存贮的有关数据以及通过测控链路上传的遥控指令与数据，经过判断、运算和处理后，输出指令给伺服机构，控制舵面、发动机以及刹车量，进而控制飞机的速度、姿态和轨迹来完成各种模态的控制任务。与有人机相比，无人机的飞行控制系统应具有高度的自主性和应付复杂环境的能力，针对不同的飞行阶段应自主采用相应不同的控制策略来完成相应的控制目标。通常的控制目标包括：稳定及操纵飞机的姿态角；稳定及操纵飞机的重心运动，包括飞行高度、空速、航迹等；操纵飞机由危险高度自动拉起复飞；进场着陆时自动跟踪下滑线并保证飞行速度的控制等等。由于不同的飞行阶段的控制策略不同，相应的控制律结构和参数均可能出现较大差别。飞行过程中，随着飞行状态的变化，将会出现不同控制律的切换，此时，若不引入控制律平稳切换技术，则会出现输出至伺服机构的控制量的突跳，由此引起的飞机过载突变，对飞行安全产生不利影响。

图1所示的是飞行控制中控制律切换原理示意图，飞行的基本原理是机载飞行控制计算机计算被控量y(t)与期望值r(t)之间的偏差e(t)，并根据控制律解算得到控制量u(t)，该控制量输出至饲服作动设备，进而控制飞机。现有的控制律平稳切换技术常采用多模态同步运算控制平稳切换方法，在图1中，控制律A的输出为u_a(t)，控制律B的输出为u_b(t)，其中的软化处理通常选择线性软化方法，当控制律由A转至B时，在控制律总输出口来总体平滑瞬变过程，即利用软化环节使被切换的控制律A逐渐淡出，需接入的控制律B逐渐淡入。切换过程中，系统所执行的控制律输出为：

u(t)＝u_a(t).(1-t/T)+u_b(t).t/T    (1)

其中，t为软化开始后记录的时间，T为软化时限。切换时的平缓程度可以通过选择软化时限T来进行调节，软化时限越长，过渡过程越平缓。

多模态同步运算控制平稳切换方法的特点是比较直观，具有良好的瞬变抑制效果，平缓程度可以根据实际情况设定不同的软化时限来进行调节。但实现过程较为繁琐，需要包括切换瞬间输出量旧值的记录、软化开始后计时器的实现、软化时限的判断、软化时限内进行线性软化计算等等。同时，在切换过程中，不同控制律的重叠计算对系统的稳定性会产生影响，因此还必须通过足够的仿真试验来调整软化时限T，以获得满意的瞬变过程。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于积分器的控制律平稳切换方法，该方法利用了PID(比例-积分-微分)控制器结构中的积分器环节，通过简单的处理，实现了控制律的平稳切换。

本发明的控制律平稳切换方法通过以下步骤实现：

步骤一：计算控制律切换时刻(t₀时刻)的控制量u_a(t₀)、u_b(t₀)。

步骤二：令u_a(t₀)＝u_b(t₀)，解算切换时刻控制量u_b(t₀)的积分器的初值x₀。

步骤三：将积分器的初值x₀带入控制律B得到控制输出。

本发明控制律平稳切换方法的优点在于：

(1)实际运行过程中只针对接入模态进行一次计算，运行效率高，控制律切换实现更为简单；

(2)无重叠运算，保证飞机控制系统的稳定性。

附图说明

图1是多模态同步运算控制平稳切换示意图；

图2是本发明所提供的一种基于积分器的控制律平稳切换示意图；

图3是控制切换实例示意图；

图4不采用软化的结果图；

图5是采用线性软化的结果图；

图6是应用本发明提供的切换方法进行积分器初值软化后的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细说明。

利用经典控制理论解决飞行控制律设计的问题时，PID控制器由于其结构简单、鲁棒性强以及易于实现的特点被广泛的应用。PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节三部分组成，其输入偏差e(t)与输出控制量u(t)的关系为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I[x_0+{\∫}_{t_0}^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}]+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

式(2)中，K_P为比例系数，K_I为积分系数，K_P为微分系数，u(t)为控制量，e(t)为被控量y(t)与期望值r(t)之间的偏差，e(t)＝r(t)-y(t)，t₀表示积分开始时刻，x₀表示积分器的初值。

比例、积分、微分环节对控制系统分别产生不同的影响。其中，控制的稳定性、超调量以及相应速度等动态指标主要取决于比例系数K_P的大小；积分环节的引入可以消除系统的稳态误差，提高系统的跟踪精度，但是过大的积分作用将造成系统的超调；微分环节的主要作用在于给系统引入动态阻尼，减小系统的超调，但调节时间会因此变大。在PID控制器的设计中，通过对比例环节、积分环节、微分环节三部分控制作用的协调，可以达到很好的飞行控制效果。

本发明所提供的一种基于积分器的控制律平稳切换方法，针对于需要切入的控制律中含有积分环节的情况，在控制律切换瞬间利用设置积分器的初值来达到平稳切换的目的。如图2所示是一种基于积分器的控制律平稳切换示意图，其中，控制律B中采用了PID控制器形式，即公式(2)所示的形式。

当采用控制律A进行控制时，机载飞行控制计算机计算被控量y(t)与期望值r(t)之间的偏差e(t)，并得到控制律A的控制量u_a(t)，该控制量u_a(t)输出至饲服作动设备，进而控制飞机。当需要控制律由A转至B时，机载飞行控制计算机将控制律B中的积分器进行初始化，并根据偏差e(t)和控制律B计算控制量u_b(t)输出。

积分器的初值表征了该积分器工作的初始状态，通常在控制律开始起作用时，积分器的初值为零。此时当两个不同控制律之间进行切换时，新切入控制律的输出值取决于比例环节和微分环节，若控制目标和结构参数不同，则会产生较大差异，导致控制律输出突变。因此，本发明中将原控制律A的输出引入新控制律B的积分器初值的计算，使得两者在切换瞬间的输出相同，则能够起到平稳切换的目的。

下面给出具体的步骤如下：

步骤一：计算控制律切换时刻(t₀时刻)的控制量。则此时可通过飞控计算机得到控制律A的控制量为u_a(t₀)；控制律B采用PID积分形式结构，则控制律B的控制量u_b(t₀)为：

$u_b\left(t_0\right)=K_{p}e\left(t_0\right)+K_I[x_0+{\∫}_{t_0}^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}]+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

由于 ${\∫}_0^{t_0}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}=0,$ 则有：

$u_b\left(t_0\right)=K_{p}e\left(t_0\right)+K_I{x}_0+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中K_P、K_I、K_D、e(t₀)、

为已知量，积分器初值x₀作为未知量。

步骤二：解算切换时刻控制量u_b(t₀)的积分器的初值x₀。

令u_a(t₀)＝u_b(t₀)，解算该方程得到：

$u_a\left(t_0\right)=K_{p}e\left(t_0\right)+K_I{x}_0+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

$x_0=\frac{u_a\left(t_0\right)-K_{p}e\left(t_0\right)-K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}}{K_I}---\left(6\right)$

步骤三：将积分器的初值x₀带入控制律B得到控制输出u(t)。

将式(6)带入式(2)得式(7)：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I[x_0+{\∫}_{t_0}^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}]+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}},t\≥t_0--\left(7\right)$

在t₀时刻，控制律B的输出与控制律A的输出相等，因此可实现控制律A和B之间的平稳切换；t₀时刻以后，控制律B以控制量u(t)进行输出。

实施例：

如图3所示是基于积分器的控制律平稳切换实例示意图，假设控制律切换瞬间为t₀＝5，控制律A的输出为10，控制律B采用了PID结构，其中K_P＝2，K_I＝1，K_D＝0，反馈量与期望的偏差为斜率为0.1的斜坡输入，即e(t)＝0.1t。此时若不进行软化，而直接进行切换，则控制律输出将会出现跳变，如图4所示。若此时采用线性软化方法，选取软化时限T为10s，则在5s至15s内，

u(t)＝u_a(t).(1-(t-5)/10)+u_b(t).(t-5)/10

线性软化结果如图5所示。

采用本发明提供的基于积分器的控制律平稳切换方法，可按照以下步骤实现：

步骤一：计算控制律切换时刻(t₀时刻)的控制量。

u_a(5)＝10；

$u_b\left(5\right)=K_{p}e\left(t_0\right)+K_I{x}_0+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}$

$=2\×0.1\×5+1\×x_0+0\×0.1$

$=1+x_0$

步骤二：解算切换时刻控制量u_b(t₀)的积分器的初值x₀。

令u_a(5)＝u_b(5)，解算该方程得到积分器的初值x₀：

10＝1+x₀

解得： x₀＝9

步骤三：将积分器的初值x₀带入控制律B得到控制输出：

$u\left(t\right)=2e\left(t\right)+1\×[9+{\∫}_{t_0}^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}],t\≥5$

图6是应用本发明提供的切换方法进行积分器初值软化后的结果图，软化输出曲线上没有发生跳变。

Claims (1)

1.一种基于积分器的控制律平稳切换方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：计算控制律切换时刻(t₀时刻)的控制量u_a(t₀)、u_b(t₀)，其中控制律B采用PID积分形式结构，则控制律B的控制量u_b(t₀)为：

$u_b\left(t_0\right)=K_{p}e\left(t_0\right)+K_I{x}_0+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}};$

步骤二：令u_a(t₀)＝u_b(t₀)，解算切换时刻控制量u_b(t₀)的积分器的初值x₀：

$x_0=\frac{u_a\left(t_0\right)-K_{p}e\left(t_0\right)-K_D\frac{\mathrm{de}\left(t_0\right)}{\mathrm{dt}}}{K_I};$

步骤三：将积分器的初值x₀带入控制律B得到控制输出u(t)：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_I[x_0+{\∫}_{t_0}^{t}e\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}]+K_D\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}.$