CN108303939A - 一种考虑控制量饱和的指令重构算法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种考虑控制量饱和的指令重构算法，涉及控制指令重构技术，能够解决现有控制分配策略单一，无法适应复杂情况的问题。个方法首先按不考虑饱和情况的基准分配方式进行控制分配，判断分配后物理舵面饱和情况；其次，若分配后有且仅有一片物理舵面饱和，则按照控制指令重构算法进行重新分配；若分配后有两片及两片以上物理舵面饱和，则按上一控制周期分配方式进行控制分配；最后，在上一步控制分配后，若出现仍有两片及以上物理舵面饱和情况，则按照基准控制分配方式进行分配。

Description

一种考虑控制量饱和的指令重构算法

技术领域

本发明涉及控制指令重构技术领域，尤其涉及一种考虑控制量饱和的指令重构算法。

背景技术

重构控制作为容错控制的一种方式，是利用冗余系统本身所具有的冗余性，确保动态系统在发生故障时，其性能尽量接近于正常系统，并且满足期望的性能指标。重构控制是美国国家航空宇航局1982年首先提出的新概念，曾组织了格鲁门公司、空军莱特研究所等单位进行了可重构战斗机的构型研究。重构控制的思想是在传统余度控制理论的基础上发展起来的。余度控制是在系统的一个或多个关键部件失效时，通过监控系统检测及隔离故障元件，并采用完全相同的备用元件来替代它们以维持系统的性能和稳定性不变。

临近空间飞行器具有大空域、宽马赫数飞行特点，同时面临着复杂的气动特性、大气环境、结构干扰力矩等众多不确定性因素和干扰，当采用一种控制分配策略时，极易出现单片物理舵面饱和情况，实际需用舵面可能超过限幅值，使所产生的控制量达不到需用控制量，若继续使用当前策略则导致舵效下降，降低飞行器的安全可靠性，考虑使用控制重构技术，而现有控制重构技术均无法满足要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种考虑控制量饱和的指令重构算法，能够解决现有控制分配策略单一，无法适应复杂情况的问题。

本发明的技术解决方案：

一种考虑控制量饱和的舵面指令重构算法，在一个控制周期内，该方法包括以下步骤：

第一步，按不考虑舵面翻转饱和情况的物理舵面控制指令对四个舵面进行控制分配，基准物理舵面控制指令u＝C₀u_c，其中，u_c＝[u_x u_y u_z]^T，u为基准物理舵面控制指令，C₀为控制转换矩阵，u_c为数学舵面控制指令；

第二步，判断第一步舵面翻转控制后四个物理舵面饱和情况，若有且仅有一片物理舵面饱和，则执行第三步，若有两片或两片以上物理舵面饱和，则执行第四步；

第三步，令翻转角度达到饱和的第i片舵面翻转至门限值，并对其它三片舵面重新翻转控制，控制指令为：u_-i＝(B_-i)^-1(B_cu_c-B_iu_i)，式中，B_-i表示舵效系数矩阵B除去第i列，B_-i为可逆方阵；B_i表示舵效系数矩阵B的第i列，u_-i表示物理舵面控制指令u除去对饱和的第i片物理舵面的控制，u_i表示第i片物理舵面控制指令，B_c、B矩阵取值如下：

继续执行第五步；

第四步，按上一控制周期结束时四个舵面翻转方式控制当前舵面翻转；

第五步，若经第三步对除第i片舵面以外的其它三片舵面重新翻转控制，或经第四步按上一控制周期重新翻转控制后，仍有两片及以上物理舵面饱和，则按照所述基准物理舵面控制指令控制四个舵面翻转。

本发明实施例提供的一种考虑控制量饱和的指令重构算法，针对飞行器控制量出现饱和情况时进行控制指令重构。控制指令重构策略不需对复杂的控制律进行调整，减轻了控制系统的设计难度，同时确保了飞行器的稳定性、机动性以及可靠性。该方法充分地考虑了执行机构的物理约束条件，当某个舵面出现饱和情况时，可充分利用其它等效操纵面实现补偿，从而提高控制系统稳定性，确保任务的完成。该指令重构策略相关成果对各类具有操纵面冗余特点的飞行器在重构控制领域具有广阔的应用前景。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种考虑控制量饱和的舵面指令重构算法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

基于控制分配的重构控制技术可以充分考虑执行机构的物理约束，当一个或多个作动器出现饱和或者由于其它原因不能产生正常的控制效应，将舵面故障情况下的控制指令以最优目标将失效舵面的控制效果重新分配到各健康的舵面上并且能考虑舵面偏转受限等情况，而基本飞行控制律保持不变。即可以利用其它等效操纵面实现补偿，确保飞行器的稳定性和机动性，从而完成控制任务。

基于该发明构思，本发明实施例提供一种考虑控制量饱和的舵面指令重构算法，在一个控制周期内，该方法包括以下步骤：

式(1)～(4)分别定义数学舵面控制指令u_c，物理舵面控制指令u，舵效系数矩阵B，控制转换矩阵C₀。

u_c＝[u_x u_y u_z]^T (1)

u＝[u₁ u₂ u₃ u₄]^T (2)

第一步，按不考虑舵面翻转饱和情况的物理舵面控制指令对四个舵面进行控制分配，基准物理舵面控制指令u＝C₀u_c，记分配策略为C0。其中，u_c＝[u_x u_y u_z]^T，u为基准物理舵面控制指令，C₀为控制转换矩阵，u_c为数学舵面控制指令；

第二步，判断第一步舵面翻转控制后四个物理舵面饱和情况，若有且仅有一片物理舵面饱和，则执行第三步，若有两片或两片以上物理舵面饱和，则执行第四步；

第三步，令翻转角度达到饱和的第i片舵面翻转至门限值，并对其它三片舵面重新翻转控制，控制指令为：u_-i＝(B_-i)^-1(B_cu_c-B_iu_i)，式中，B_-i表示舵效系数矩阵B除去第i列，B_-i为可逆方阵；B_i表示舵效系数矩阵B的第i列，u_-i表示物理舵面控制指令u除去对饱和的第i片物理舵面的控制，u_i表示第i片物理舵面控制指令，B_c、B矩阵取值如下：

继续执行第五步；

按基准分配控制量后，若有且仅有一片物理舵面饱和，则按照重构算法重新分配控制律。如第i片物理舵面饱和，即舵面数值大于该片舵面的门限值(记d₀)，则令该片舵面取门限值，符号与分配后相同，并对其它三片舵面进行重新分配(记分配策略为Ci)，分配方式如下。

u_-i＝(B_-i)^-1(B_cu_c-B_iu_i) (6)

式中，B_-i表示舵效系数矩阵B除去第i列，B_-i为可逆方阵；B_i表示舵效系数矩阵B的第i列，u_-i表示物理舵面控制指令u除去饱和的第i片物理舵面，B_c矩阵取值如下：

以分配后第一片舵面出现饱和情况为例：

当|u₁|≥d₀时，则令第一片舵面取值如下。

u₁＝d₀×sign(u₁) (8)

式中，sign(x)为符号函数，如式(9)。

对其它三片物理舵面按式(6)进行重新分配，分配结果如下。

至此，对于按分配策略C0分配后出现仅一片舵面饱和的情况，控制重构算法执行完毕。

采用基于控制分配的指令重构算法，可以避免由舵饱和所带来的舵面失效问题，使飞行器控制具有冗余性、容错性，这对于具有众多不确定性和干扰因素的飞行器来说，具有重要意义。当出现舵面饱和情况时，通过指令重构可达到利用其余等小舵面进行补偿，充分地考虑了物理执行机构的约束条件，可以确保飞行器更加稳定、安全的飞行。

第四步，按上一控制周期结束时四个舵面翻转方式控制当前舵面翻转；

若按基准分配后，出现两片或两片以上物理舵面饱和情况，则按照上一控制周期的分配策略(记分配策略为Cb)进行重新分配。

第五步，若经第三步对除第i片舵面以外的其它三片舵面重新翻转控制，或经第四步按上一控制周期重新翻转控制后，仍有两片及以上物理舵面饱和，则按照所述基准物理舵面控制指令控制四个舵面翻转。

最终，无论在上述两种重新分配情况后，如果重新分配后发现物理舵面饱和数量大于等于二，则仍按照基准控制分配方式进行分配。

采用本指令重构算法，可以有效避免由舵面饱和所带来的舵面失效等问题，提高舵面控制效率。因此，基于控制分配的重构控制对提高飞机的安全性、生存力有着重要意义。

本发明实施例提供的一种考虑控制量饱和的指令重构算法，针对飞行器控制量出现饱和情况时进行控制指令重构。控制指令重构策略不需对复杂的控制律进行调整，减轻了控制系统的设计难度，同时确保了飞行器的稳定性、机动性以及可靠性。该方法充分地考虑了执行机构的物理约束条件，当某个舵面出现饱和情况时，可充分利用其它等效操纵面实现补偿，从而提高控制系统稳定性，确保任务的完成。该指令重构策略相关成果对各类具有操纵面冗余特点的飞行器在重构控制领域具有广阔的应用前景。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

本发明以上的装置和方法可以由硬件实现，也可以由硬件结合软件实现。本发明涉及这样的计算机可读程序，当该程序被逻辑部件所执行时，能够使该逻辑部件实现上文所述的装置或构成部件，或使该逻辑部件实现上文所述的各种方法或步骤。本发明还涉及用于存储以上程序的存储介质，如硬盘、磁盘、光盘、DVD、flash存储器等。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种考虑控制量饱和的舵面指令重构算法，其特征在于，在一个控制周期内，该方法包括以下步骤：

第一步，按不考虑舵面翻转饱和情况的物理舵面控制指令对四个舵面进行控制分配，基准物理舵面控制指令u＝C₀u_c，其中，u_c＝[u_x u_y u_z]^T，u为基准物理舵面控制指令，C₀为控制转换矩阵，u_c为数学舵面控制指令；

第二步，判断第一步舵面翻转控制后四个物理舵面饱和情况，若有且仅有一片物理舵面饱和，则执行第三步，若有两片或两片以上物理舵面饱和，则执行第四步；

第三步，令翻转角度达到饱和的第i片舵面翻转至门限值，并对其它三片舵面重新翻转控制，控制指令为：u_-i＝(B_-i)^-1(B_cu_c-B_iu_i)，式中，B_-i表示舵效系数矩阵B除去第i列，B_-i为可逆方阵；B_i表示舵效系数矩阵B的第i列，u_-i表示物理舵面控制指令u除去对饱和的第i片物理舵面的控制，u_i表示第i片物理舵面控制指令，B_c、B矩阵取值如下：

继续执行第五步；

第四步，按上一控制周期结束时四个舵面翻转方式控制当前舵面翻转；

第五步，若经第三步对除第i片舵面以外的其它三片舵面重新翻转控制，或经第四步按上一控制周期重新翻转控制后，仍有两片及以上物理舵面饱和，则按照所述基准物理舵面控制指令控制四个舵面翻转。