CN106502255B - 一种舰载机自动着舰控制系统的设计方法和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种舰载机自动着舰控制系统的设计方法和控制方法，所述舰载机自动着舰控制系统采用鲁棒预见控制器，采用鲁棒控制器设计系统的状态反馈控制器，采用预见控制器设计系统的前馈控制器。本发明通过结合鲁棒控制器和预见控制器，从而改善舰载机着舰的安全性和精确度。
Description
技术领域
本发明属于飞行器控制技术领域，特别涉及了一种舰载机自动着舰控制系统的设计方法和控制方法。
背景技术
舰载机能否安全、精确地着舰是航空母舰/舰载机武器作战系统的关键技术之一。而在舰载机自动着舰过程中，下滑道轨迹信息是提前已知的，为了提高舰载机着舰的安全性，运用已知的下滑道轨迹信息对舰载机自动着舰系统具有重要的工程价值。合理的预见时间能够使舰载机快速提高跟踪质量，有效地提高舰载机自动着舰的效率与安全性。
舰载机着舰一般采用下滑道轨迹跟踪着舰。所谓下滑道轨迹跟踪着舰(舰载机等角下滑)，是在进舰着舰的最后阶段，舰载机截获合适的下滑道轨迹后，一直保持相同的下滑轨迹角、俯仰角、速度和下沉率，直至舰载机与航母甲板碰撞，实现撞击式着舰。由于舰尾气流的影响，使得舰载机在着舰过程中速度会受到舰尾气流的影响而改变。在飞机进场后，离舰最后约0.5英里(800米)时，会受到舰尾气流的影响。如果考虑舰载机是匀速飞行，那么800米的距离，大约就是着舰前的12.5秒，也就是说舰载机在着舰阶段的最后12.5秒会受到舰尾气流的影响。根据舰尾气流的影响，舰载机自动着舰全过程可以分为两个阶段，一是下滑道跟踪阶段，二是舰尾气流抑制阶段。在实际下滑过程中，传统的PID控制器很难使舰载机完全跟踪下滑道轨迹。而舰载机在下滑过程中所保持的下滑轨迹角、俯仰角、速度和下沉率均可作为可预见的信息，从而利用这些未来信息和过去、现在的信息对舰载机进行预见控制。
预见控制是利用已知的参考信息，来提高跟踪质量。预见信息在控制系统中的作用，从频域上看是相位超前补偿，而从时域上看是提前产生补偿作用。预见控制的一个主要应用领域是汽车驾驶模拟，即给无人驾驶车辆设计控制系统，另一个应用领域是主动悬挂系统，在这两个方面已具有了显著的效益。除此之外，在信息融合方面，预见控制也用有了新的发展，提出了信息融合的最优预见控制。
对于人工着舰时的舰尾气流扰动问题，最初的抑制方法是在着舰前的最后一段时间内加入抬头指令信号，从而对下沉气流的影响进行了补偿。而实际中的尾流形态往往与设定的尾流形态不符，因此加入的开环指令信号不但不能达到补偿效果，反而会造成飞机飞越拦阻索而无法正常着舰。所以，具有舰尾气流扰动抑制能力的舰载机着舰引导系统的研究，一直被作为研究舰载机着舰引导系统的重要课题。针对舰尾气流的干扰，采用鲁棒控制方法。鲁棒控制理论的实质是为多输入多输出(MIMO)且具有模型摄动的系统提供了一种频域的鲁棒控制器设计方法。鲁棒控制理论很好地解决了常规频域理论不适于MIMO系统设计及LQG(线性二次高斯)理论不适于模型摄动情况两个难题,其计算复杂的缺点已因计算机技术的飞速发展及标准软件开发工具箱的出现而得到克服，故近十年来已成为控制理论的一个热点研究领域，并取得了大量的实际应用成果。鲁棒控制理论所要研究的问题主要可分为两个方面，即控制系统的鲁棒性分析和控制律综合。在分析方面研究的是：当系统存在不确定性及干扰时，系统的稳定性和动态性能的分析。在综合方面研究的问题是：当系统存在不确定性和外部干扰时，如何设计有效的控制律使得闭环系统具有更强的鲁棒性。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种舰载机自动着舰控制系统的设计方法和控制方法，结合了鲁棒控制器和预见控制器，提升舰载机着舰的安全性和精确度。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制系统的设计方法，所述舰载机自动着舰控制系统采用鲁棒预见控制器，采用鲁棒控制器设计系统的状态反馈控制器，采用预见控制器设计系统的前馈控制器，设计方法如下：
(1)设舰载机系统：
x(k+1)＝Ax(k)+B1w(k)+B2u(k)
z(k)＝C1x(k)+D11w(k)+D12u(k)
y(k)＝C2x(k)
其中，x是系统的状态变量，u是控制输入，w是外部扰动输入，z是被调输出，y是系统输出，A，B1，B2，C1，C2，D11和D12是适维矩阵；
(2)导出舰载机系统的误差系统：
其中，Δx是x的一阶差分值，Δw是w的一阶差分值，Δu是u的一阶差分值，ΔRs是目标值Rs的一阶差分值，目标值Rs为高度的偏量，Im是适维的单位矩阵；
先设目标值Rs为零或定值信号，则上述误差系统变为：
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GwΔw(k)+GuΔu(k)
其中，
(3)建立上述误差系统的性能评价函数：
其中，Q是半正定权重矩阵，H是正定矩阵；
定义被调输出信号：
于是，令
代入上述性能评价函数，得
(4)设系统的扰动衰减度γ＞0为常数，且使得所求的状态反馈控制器满足：
则，具有给定扰动衰减度γ＞0的鲁棒状态反馈控制律为：
ΔuF(k)＝FkX0(k)
其中，
S＝[0 I]，I是单位矩阵；
(5)再设目标值Rs不为零或定制信号，则前馈控制器的性能评价函数：
其中，MR是目标值预见步数，Mw是干扰值预见步数；
(6)根据偏微分最优化算法求得目标值前馈系数FR(j)与干扰前馈系数：
其中，FR(0)＝0，ξ＝Φ+GuFk；
(7)将鲁棒状态反馈控制和预见前馈控制结合起来，则系统响应的鲁棒预见控制律：
本发明还包括基于上述舰载机自动着舰控制系统的控制方法，步骤如下：
(a)舰载机开始着舰，进入下滑道轨迹跟踪阶段，此时舰载机自动着舰控制系统采用上述的鲁棒预见控制器，控制舰载机的运动；
(b)直至舰载机着舰前tf秒时，进入舰尾气流抑制阶段，此时在舰载机自动着舰控制系统中加入舰尾气流的干扰，控制舰载机的运动，直到舰载机成功着舰。
进一步地，在步骤(a)中，舰载机自动着舰控制系统的输入信号包括预定下滑道高度指令、飞行高度反馈值、俯仰角反馈值、俯仰角速率反馈值、迎角反馈值、飞行速度反馈值、侧滑角反馈值、滚转角反馈值、偏航角反馈值、滚转角速率反馈值、偏航角速率反馈值和横侧向偏距；舰载机自动着舰控制系统的输出信号包括升降舵偏角、油门开度、副翼偏角和方向舵偏角。
进一步地，在步骤(b)中，tf的取值为12.5。
进一步地，在步骤(b)中，舰载机自动着舰控制系统的输入信号包括预定下滑道高度指令、飞行高度反馈值、俯仰角反馈值、俯仰角速率反馈值、迎角反馈值、飞行速度反馈值、侧滑角反馈值、滚转角反馈值、偏航角反馈值、滚转角速率反馈值、偏航角速率反馈值、横侧向偏距和舰尾气流，所述舰尾气流包括水平尾流、横向尾流和垂直尾流；舰载机自动着舰控制系统的输出信号包括升降舵偏角、油门开度、副翼偏角和方向舵偏角。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)本发明结合了鲁棒控制器和预见控制器，预见控制器可以使舰载机更好地跟踪理想下滑道，使得着舰更加准确，同时鲁棒控制器可以更好地抑制舰尾气流的干扰，使得舰载机更加安全地着舰；
(2)传统舰载机自动着舰控制系统需要在纵向上设计三个控制器，在横侧向上设计三个控制器，说明需要十八个参数的调节，工作量很大，而本发明只需要两个控制器，大大减少参数的调节过程。
附图说明
图1是本发明控制方法的流程图；
图2是仿真实验中实际高度下滑轨迹和理想高度下滑轨迹曲线图；
图3是仿真实验中实际高度与理想高度之间的偏差曲线图；
图4是仿真实验中实际轨迹与理想轨迹的横侧向偏距曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
常规的自动着舰纵向控制器包括俯仰姿态控制器、动力补偿控制器和高度控制器。为了使舰载机沿着甲板中心线飞行，实现侧偏为零，所以要进行横侧向控制的设计。舰载机自动着舰横侧向控制系统主要由滚转姿态控制器、航向控制器和侧向偏离控制器组成。本发明提出的基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制系统，只需要设计两个控制器即可，即鲁棒预见纵向控制器和鲁棒预见横侧向控制器。预见控制器可以使舰载机更好地跟踪理想下滑道，使得着舰更加准确。而鲁棒控制器可以更好地抑制舰尾气流的干扰，使得舰载机更加安全地着舰。由于纵向控制器和横侧向控制器的设计方法是一样的，故在接下来的控制器设计过程中，用相同的符号表示。
(一)鲁棒控制器的设计
舰载机状态空间描述的离散系统
x(k+1)＝Ax(k)+B1w(k)+B2u(k)
z(k)＝C1x(k)+D11w(k)+D12u(k)
y(k)＝C2x(k)
其中x是系统的状态变量，u是控制输入，w是外部扰动输入，z是被调输出，y是输出，A，B1，B2，C1，C2，D11和D12是适当维数的矩阵。在鲁棒控制器设计之前，需要有如下的假设：(A,B2)是稳定的，且
对给定的常数γ1＞0，设计一个线性定常状态反馈控制律：
u1(k)＝F1x(k)
其中F1是一个常数矩阵，使得
(1)闭环系统矩阵Ak＝A+B2F是稳定的
(2)从外部输入w到被调输出z的闭环传递函数||Tzw(z)||∞＜γ1。
具有这样性质的控制律称为是系统具有扰动衰减度γ1的一个鲁棒状态反馈控制律。称这样一个问题是离散时间系统的一个标准鲁棒状态反馈问题。
设γ1＞0是任意给定的常数，则u1(k)＝F1x(k)是系统具有给定扰动衰减度γ1＞0的一个鲁棒状态反馈控制律，当且仅当存在一个矩阵L，使得
其中S＝[0I]，
矩阵P1是以下矩阵方程的一个对称半正定解：
(二)预见控制器的设计
考虑舰载机是以下的系统
x(k+1)＝Ax(k)+B1w(k)+B2u(k)
y(k)＝C2x(k)
其中x,w,u,y,A,B1,B2和鲁棒控制器中的相关参数是相同的。
在定义一个误差信号
e(k)＝Rs(k)-y(k)
其中Rs是目标值。
将误差信号和舰载机的状态变量重新组合，得到如下的误差系统
或者表示为
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GwΔw(k)+GuΔu(k)+GRΔRs(k+1)
若原系统可控且z＝1不是其不变零点，则误差系统可控；若原系统可观测，则误差系统可观测。下面设误差系统可控可观测。
对于误差系统，假设已知其从现在时刻开始直到未来MR的目标值以及从现在时刻开始直到未来Mw的干扰值，定义评价函数为如下包含误差项和和输入项的二次型：
其中Q2是半正定矩阵；Qe和H2是正定矩阵。
依据偏微分最优化方法，得到预见控制律为
其中
ξ＝Φ+GuF0
(三)鲁棒预见控制器的设计
综合上面两种控制器的设计方法，找到两种方法的结合点，不难发现，用鲁棒控制器设计状态反馈控制器，而用预见控制器设计前馈控制器，这样既可以提高系统的抗干扰能力，又可以提高系统的精度。
设舰载机系统为
x(k+1)＝Ax(k)+B1w(k)+B2u(k)
z(k)＝C1x(k)+D11w(k)+D12u(k)
y(k)＝C2x(k)
对于这样的系统，控制的要求如下：
(1)系统的输出能渐近跟踪目标轨迹Rs；
(2)系统具有一定的鲁棒性；
(3)系统具有较强的扰动抑制能力。
首先导出系统的误差系统：
其中，Δx是状态变量的一阶差分值，Δw是干扰的一阶差分值，Δu是控制输入的一阶差分值，ΔRs是目标值的一阶差分值。
先假设目标值为零或定值信号，那么误差系统就变为：
或者表示为X0(k+1)＝ΦX0(k)+GwΔw(k)+GuΔu(k)。
由于鲁棒控制器的性能指标是γ1，而预见控制器的性能指标是J2，为了使两者性能指标相同，故设上述误差系统的性能评价函数为
其中Q是半正定权重矩阵，H是正定矩阵。
定义被调输出信号
于是，令
则有
若系统的干扰抑制指标γ＞0为常数，且使得所求的控制器满足
的γ成立。
对于系统，具有给定扰动衰减度γ＞0的一个鲁棒状态反馈控制律为：
ΔuF(k)＝FkX0(k)
其中
S＝[0 I],
上面假定的是目标值(跟踪输出)为零或定值信号的情况，现在考虑目标值不为零或定制信号的情况，只需要加一个前馈信号就可以了。设预见前馈控制器的评价函数为：
根据偏微分最优化算法求得目标值前馈系数与干扰前馈系数：
ξ＝Φ+GuFk
将鲁棒状态反馈控制输入和预见前馈控制输入结合起来，则系统响应的鲁棒预见控制输入：
其中，MR是目标值预见步数，Mw是干扰值预见步数。
基于上述舰载机自动着舰控制系统的控制方法，如图1所示，步骤如下：
步骤1：舰载机开始着舰，进入下滑道轨迹跟踪阶段，此时舰载机自动着舰控制系统采用上述的鲁棒预见控制器，控制舰载机的运动。
在下滑道轨迹跟踪阶段，舰载机自动着舰控制系统的输入信号包括预定下滑道高度指令、飞行高度反馈值、俯仰角反馈值、俯仰角速率反馈值、迎角反馈值、飞行速度反馈值、侧滑角反馈值、滚转角反馈值、偏航角反馈值、滚转角速率反馈值、偏航角速率反馈值和横侧向偏距；舰载机自动着舰控制系统的输出信号包括升降舵偏角、油门开度、副翼偏角和方向舵偏角。
步骤2：直至舰载机着舰前tf秒(12.5秒)时，进入舰尾气流抑制阶段，此时在舰载机自动着舰控制系统中加入舰尾气流的干扰，控制舰载机的运动，直到舰载机成功着舰。
在舰尾气流抑制阶段，舰载机自动着舰控制系统的输入信号包括预定下滑道高度指令、飞行高度反馈值、俯仰角反馈值、俯仰角速率反馈值、迎角反馈值、飞行速度反馈值、侧滑角反馈值、滚转角反馈值、偏航角反馈值、滚转角速率反馈值、偏航角速率反馈值、横侧向偏距和舰尾气流，所述舰尾气流包括水平尾流、横向尾流和垂直尾流；舰载机自动着舰控制系统的输出信号包括升降舵偏角、油门开度、副翼偏角和方向舵偏角。
为了验证本发明在舰载机自动着舰控制上的有效性，进行如下仿真。仿真工具采用MATLAB软件，分析舰载机动力学模型，并采用F/A-18的相关参数，航母对象采用“尼米兹”号航母，仿真实验中采用下滑道跟踪着舰，下滑道跟踪时间应该为56.3s，下滑道的倾斜角为3.5°，舰载机的初速度V0为70m/s，初始高度为231.7m(理想的初始高度为240.7m)，初始侧偏距为1m，采样时间为0.1s，预见步数为12，三级海况。
图2是实际高度下滑轨迹和理想高度下滑轨迹曲线图，图3是实际高度与理想高度之间的偏差曲线图，图4是实际轨迹与理想轨迹的横侧向偏距曲线图。由图中可以看出，舰载机的跟踪效果良好。在着舰前12.5s将舰尾气流加入舰载机自动着舰系统中，基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰系统响应速度很快，跟踪效果很好，具有很强的抑制干扰的能力。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制系统的设计方法，其特征在于：所述舰载机自动着舰控制系统采用鲁棒预见控制策略来设计，即，采用鲁棒控制策略设计舰载机自动着舰控制系统的状态反馈控制器，采用预见控制策略设计舰载机自动着舰控制系统的前馈控制器，设计方法如下：
(1)设舰载机系统：
x(k+1)＝Ax(k)+B1w(k)+B2u(k)
z(k)＝C1x(k)+D11w(k)+D12u(k)
y(k)＝C2x(k)
其中，x是系统的状态变量，u是控制输入，w是外部扰动输入，z是被调输出，y是系统输出，A，B1，B2，C1，C2，D11和D12是适维矩阵；
(2)导出舰载机系统的误差系统：
其中，Δx是x的一阶差分值，Δw是w的一阶差分值，Δu是u的一阶差分值，ΔRs是目标值Rs的一阶差分值，目标值Rs为高度的偏量，Im是适维的单位矩阵；
先设目标值Rs为零或定值信号，则上述误差系统变为：
X0(k+1)＝ΦX0(k)+GwΔw(k)+GuΔu(k)
其中，
(3)建立上述误差系统的性能评价函数：
其中，Q是半正定权重矩阵，H是正定矩阵；
定义被调输出信号：
于是，令
代入上述性能评价函数，得
(4)设系统的扰动衰减度γ＞0为常数，且使得所求的状态反馈控制器满足：
则，具有给定扰动衰减度γ＞0的鲁棒状态反馈控制律为：
ΔuF(k)＝FkX0(k)
其中，S＝[0I]，I是单位矩阵；
(5)再设目标值Rs不为零或定制信号，则前馈控制器的性能评价函数：
其中，MR是目标值预见步数，Mw是干扰值预见步数；
(6)根据偏微分最优化算法求得目标值前馈系数FR(j)与干扰前馈系数Fw(j)：
其中，FR(0)＝0，ξ＝Φ+GuFk；
(7)将鲁棒状态反馈控制和预见前馈控制结合起来，则系统响应的鲁棒预见控制律：
。
2.基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)舰载机开始着舰，进入下滑道轨迹跟踪阶段，此时舰载机自动着舰控制系统采用权利要求1所述的鲁棒预见控制器，控制舰载机的运动；
(b)直至舰载机着舰前tf秒时，进入舰尾气流抑制阶段，此时在舰载机自动着舰控制系统中加入舰尾气流的干扰，控制舰载机的运动，直到舰载机成功着舰。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：在步骤(a)中，舰载机自动着舰控制系统的输入信号包括预定下滑道高度指令、飞行高度反馈值、俯仰角反馈值、俯仰角速率反馈值、迎角反馈值、飞行速度反馈值、侧滑角反馈值、滚转角反馈值、偏航角反馈值、滚转角速率反馈值、偏航角速率反馈值和横侧向偏距；舰载机自动着舰控制系统的输出信号包括升降舵偏角、油门开度、副翼偏角和方向舵偏角。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：在步骤(b)中，tf的取值为12.5。
5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：在步骤(b)中，舰载机自动着舰控制系统的输入信号包括预定下滑道高度指令、飞行高度反馈值、俯仰角反馈值、俯仰角速率反馈值、迎角反馈值、飞行速度反馈值、侧滑角反馈值、滚转角反馈值、偏航角反馈值、滚转角速率反馈值、偏航角速率反馈值、横侧向偏距和舰尾气流，所述舰尾气流包括水平尾流、横向尾流和垂直尾流；舰载机自动着舰控制系统的输出信号包括升降舵偏角、油门开度、副翼偏角和方向舵偏角。
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