CN106354009A - 一种飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞行器自动控制技术领域，尤其是一种飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法。本发明所公布的控制分配方法包括：舵机分组、权重计算、动态分配三个环节。该方法采用舵机分组之间的变权重动态分配方式，在满足飞行器舵机物理限制的条件下，使得线性度最好的执行器获得更大的分配权限，从而最大限度地避免了舵机作用力矩的非线性问题，实现了更为精确的控制分配。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器自动控制技术领域，尤其是一种飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法。
背景技术
传统布局的飞行器其控制通道都是一一对应的，即单一操纵面只用来驱动单一通道的控制，其缺点在于关键舵机或操纵面的可靠性压力较大。而飞翼布局飞行器通过多操纵面共同协调配合作用，有效地增加了执行机构的冗余度、增强了飞行控制系统的可靠性。然而，飞翼飞行器舵机数量的增加，一方面增强了各控制通道之间的耦合，更重要的是当飞行器大气流角区域的控制效率的非线性特性需要在控制分配环节得到有效解决。目前控制分配算法从分配原理上主要分为两类，即线性分配算法和非线性分配算法。其中，线性分配算法主要包括伪逆法、链式分配法、直接分配法、线性规划法等，非线性分配算法主要包括截距修正法、分段线性规划法、非线性规划法、智能控制分配等。总体来说，线性控制分配算法效率高、过程明确、更贴近工程应用，但当控制舵面工作在强非线性区间时其控制分配将会出现明显的误差。而非线性控制分配方法能够有效增强非线性条件下的控制分配精度，但目前的非线性分配方法都较为复杂，很难同时满足控制分配的物理限制和分配实时性要求。因此，发明一种兼顾线性分配方法与非线性分配方法优点的控制分配方法，在保证分配速率的前提下有效地减小控制分配精度，具有极强的实际意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：在满足飞行器舵机物理限制的前提下，提升舵机在非线性区间工作时的分配精度，同时还要保证控制分配的实时性。
为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：1. 一种飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述控制分配方法如下：
（1）飞翼飞行器舵面的组合分组：
（2）各执行器组合动态权重的解算：
（3）控制分配离散滤波器方法的构造。
2. 根据权利要求1所述的飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述步骤（1）具体方式如下：
a：将飞翼飞行器同一位置上的左右对称舵面分在一组，其同向偏转产生相同的俯仰力矩，从而构成俯仰通道执行器组合；
b：将飞翼飞行器同一位置上的左右对称舵面分在一组，其异向偏转产生相同的滚转力矩，从而构成滚转通道执行器组合；
c：将飞翼飞行器不同位置上的舵面单独划分为一组，规定其右侧舵面上偏产生正向偏航力矩，左侧舵面上偏产生负向偏航力矩，从而构成偏航通道执行器组合。
3. 根据权利要求1所述的飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述步骤（2）具体方式如下：
a：分别画出俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合的作用力矩与舵面偏转二维曲线；
b：以舵面当前时刻的偏转位置为基准点，由舵机的幅值与速率饱关系：
求出在一个分配周期内，舵机偏转的最大与最小值、：
以及对应的作用力矩、；
c:以坐标和为直线两端端点，分别求出俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合在当前舵面偏转位置处的舵面偏转增量与气动力矩系数的一次函数关系：
其中，为线性操纵效率矩阵，为该一次函数的基本量，表示期望的分配舵偏量；
d：解算俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合的动态权重值，组成如下分配误差动态权重矩阵与分配步长动态权重矩阵：
其中，下标表示俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合的个数，舵机当前偏转值对应的点到上述一次函数所表示的直线的距离；为设定的权重矩阵基本量，、为表征分配精度与步长的权重系数。
4. 根据权利要求1所述的飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述步骤（3）具体方式如下：
a：构造二次规划动态方程：
b：构造总的动态权重非奇异矩阵：
；
c：构造控制分配离散滤波器：
其中：
。
本发明的有益效果是，本发明方法采用舵机分组之间的变权重动态的分配方式，在满足飞翼飞行器舵机物理限制的条件下，使得线性度最好的执行器获得更大的分配权限，从而最大限度地避免了舵机作用力矩的非线性问题，实现了更为精确的控制分配。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是控制分配的示意图。
图2典型的飞翼飞行器舵面分布图。
图3是舵面偏转与力矩一次函数关系图。
图4是变权重与固定权重矩阵俯仰力矩动态分配比较曲线。
图5是变权重与固定权重矩阵滚转力矩动态分配比较曲线。
图6是变权重与固定权重矩阵偏航力矩动态分配比较曲线。
具体实施方式
本发明的主要原理如下，本发明控制分配方法包括：舵机分组、权重计算、动态分配三个环节。采用变权重的方式使得线性度较好的执行器拥有较大的分配权限，在较大程度上减小了执行器非线性造成的分配误差，可以通过求解二次规划最优问题，以一种离散滤波器的形式实现动态过程中分配精度与分配步长之间的平衡。
当进行执行器组合复用分组与动态权重的解算时，可以通过对执行器舵面进行组合分组复用，从而对三轴控制力矩进行解耦，并在每个作动步长的范围内进行线性化处理，得到表征线性度的参数，并通过该参数求得执行器分配动态权重值。
当进行构造动态控制分配离散滤波器时，由于当前时刻的控制分配量将影响下一时刻的控制分配量，可以使得单位时间内分配值的变化量满足舵机的物理限制。并且，通过离散滤波器参数的动态变化，使得实际执行器舵面在最佳线性度区间内工作。
下面结合原理和附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种飞翼飞行器舵机控制分配方法,如图1所示，具体发明内容由如下三部分组成：飞翼飞行器舵面的组合分组；各执行器组合动态权重的解算；控制分配离散滤波器的构造。
第一部分，飞翼飞行器舵面的组合分组方式如下：
如图2所示，一种典型的飞翼布局飞行器，其舵面分组复用方式如表1所示：
表1 执行器组合复用分配表
| 控制通道 | 执行器1 | 执行器2 | 执行器3 |
| 俯仰控制 | 1、5号舵面同偏 | 2、6号舵面(复用)同偏 | 3、7号舵面(复用)同偏 |
| 滚转控制 | 3、7号舵面(复用)差动 | 2、6号舵面(复用)差动 | |
| 偏航控制 | 4、8号舵面单偏 | 3、7号舵面(复用)单偏 |
其中，复用是指同一执行器的偏转叠加。
对每种组合方式进行如下定义并分析其产生的力矩效应：
1) : 1、5号舵面同偏，仅产生俯仰力矩。
2) : 2、6号舵面同偏；仅产生俯仰力矩。
3) : 3、7号舵面同偏，仅产生俯仰力矩。
4) : 3、7号舵面差动，仅产生滚转力矩。
5) : 2、6号舵面差动，仅产生滚转力矩。
6) : 4、8号舵面单偏，其以阻力方向舵的形式既产生偏航力矩也产生滚转力矩，同时带有一定的俯仰力矩。
7) : 3、7号舵面单偏，与作用相同。
第二部分，各执行器组合动态权重的解算方法如下：
以舵面当前时刻的偏转位置为基准点，由舵机的幅值与速率饱关系：
求出在一个分配周期内，舵机偏转的最大与最小值、：
以及对应的作用力矩、；
c:以坐标和为直线两端端点，分别求出俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合在当前舵面偏转位置处的舵面偏转增量与气动力矩系数的一次函数关系（示意图见图3），则期望的分配舵偏量的线性函数表达式：
对于执行器线性度的评价，控制分配采用每一组舵机组合原气动系数曲线上的点到线性化直线的最大距离，作为判定条件，该距离越大则说明此区间内舵效的线性度越差，其对应的权重矩阵中的分量越小。因此，定义如下分配误差动态权重矩阵与分配步长动态权重矩阵：
以及动态权重非奇异矩阵：
其中，下标表示执行器组合的个数，舵机当前偏转值对应的点到上述一次函数所表示的直线的距离，示意图见图3。
此处，令，，。
第三部分，控制分配离散滤波器的构造方法如下：
根据期望的分配舵偏量与权重矩阵、，将控制分配问题转化为如下二次规划问题：
从而得到动态控制分配的最优解：
为了说明相对于固定权重方式的变权重控制分配算法在非线性特性较强区域内的分配精度，给出在如下仿真条件下：
(1) 海拔1000m、飞行速度为0.3Ma，
(2) 分配中迎角为30°、侧滑角为15°，
(3) 舵机动态特性利用二阶环节所表示，
仿真结果，如图4、5、6所示。
由图4、5、6可以看出，由于舵机效率的非线性特性使得固定权重时的分配误差增大，而当执行器之间的作用权重随其线性度的变化而动态变化时，线性度较差的执行器的出舵量被减小，相应地线性度较好的执行器的出舵量增加，明显看出变权重动态分配得到的控制力矩更贴近待分配力矩，即变权重控制分配方法提升舵机在非线性区间工作时的分配精度。
Claims (4)
1.一种飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述控制分配方法如下：
（1）飞翼飞行器舵面的组合分组：
（2）各执行器组合动态权重的解算：
（3）控制分配离散滤波器方法的构造。
2.根据权利要求1所述的飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述步骤（1）具体方式如下：
a：将飞翼飞行器同一位置上的左右对称舵面分在一组，其同向偏转产生相同的俯仰力矩，从而构成俯仰通道执行器组合；
b：将飞翼飞行器同一位置上的左右对称舵面分在一组，其异向偏转产生相同的滚转力矩，从而构成滚转通道执行器组合；
c：将飞翼飞行器不同位置上的舵面单独划分为一组，规定其右侧舵面上偏产生正向偏航力矩，左侧舵面上偏产生负向偏航力矩，从而构成偏航通道执行器组合。
3.根据权利要求1所述的飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述步骤（2）具体方式如下：
a：分别画出俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合的作用力矩与舵面偏转二维曲线；
b：以舵面当前时刻的偏转位置为基准点，由舵机的幅值与速率饱关系：
求出在一个分配周期内，舵机偏转的最大与最小值、：
以及对应的作用力矩、；
c:以坐标和为直线两端端点，分别求出俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合在当前舵面偏转位置处的舵面偏转增量与气动力矩系数的一次函数关系：
其中，为线性操纵效率矩阵，为该一次函数的基本量，表示期望的分配舵偏量；
d：解算俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合的动态权重值，组成如下分配误差动态权重矩阵与分配步长动态权重矩阵：
其中，下标表示俯仰、滚转以及偏航通道执行器组合的个数，舵机当前偏转值对应的点到上述一次函数所表示的直线的距离；为设定的权重矩阵基本量，、为表征分配精度与步长的权重系数。
4.根据权利要求1所述的飞翼飞行器舵机执行器组合控制分配方法，其特征是，所述步骤（3）具体方式如下：
a：构造二次规划动态方程：
b：构造总的动态权重非奇异矩阵：
；
c：构造控制分配离散滤波器：
其中：
。
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