CN113126495B - 基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法,属于飞行器控制领域。该方法考虑地效干扰对飞行状态的影响,将干扰引入到系统状态方程中。然后将飞行器纵向动力学模型转换为速度子系统和高度子系统,针对速度子系统设计动态逆控制;针对高度子系统设计反步法控制,面向地效干扰设计扰动观测器对其进行实时估计与补偿,面向未知气动不确定设计复合学习策略对其进行逼近,从而实现复合干扰不确定的有效处理。该发明综合考虑地效干扰和气动不确定影响进行控制律设计,充分协调系统的自适应性能和鲁棒性能,对实现超低空突防控制尤为关键。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞行器控制方法,特别是涉及一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法,属于飞行器控制领域。
背景技术
飞行器超低空飞行能有效避开雷达等敌方信号,大大提升突防生存能力。但近地飞行时气压较大、空气阻力增加,飞行器操纵灵敏度增加难以保持高速飞行,并且强阵风环境和大气湍流等因素使得未知干扰因素增多,影响飞行高度控制降低作战效能。因此,设计有效控制方法抵消或补偿地效干扰影响,对实现飞行器超低空稳定飞行具有重要意义。
《基于自抗扰的地效飞行器俯仰控制系统设计》(罗瑜,电子测量技术,2020,43(06):69-76.)一文针对地效飞行器在低空巡航阶段纵向气动参数的非线性和大气扰动对纵向飞行姿态的影响,采用二阶自抗扰控制器进行飞行器纵向俯仰姿态控制,具有一定的抗干扰性和鲁棒性。但此方法在寻求鲁棒性的同时忽略了自适应性,在实际应用中存在限制。
发明内容
要解决的技术问题
针对飞行器超低空飞行中地效干扰影响和气动不确定问题,本发明设计了一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法。
技术方案
一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:考虑飞行器纵向通道动力学模型:
所述的运动学模型由五个状态量X=[V,h,γ,α,q]T和两个控制输入U=[δe,T]T组成;V表示速度,h表示高度,γ表示航迹角,α表示攻角,q表示俯仰角速度,δe表示舵偏角,T表示节流阀开度;m、Iyy和g分别表示质量、俯仰轴的转动惯量和重力引起的加速度;
力、力矩以及各系数的表达式为:
步骤2:设计高度参考指令hd为
步骤3:将飞行器动力学模型解耦得到速度子系统(1)和高度子系统(2)-(5);
速度子系统(1)写为
取x1=h,x2=γ,x3=θ,x4=q,其中θ=α+γ表示俯仰角,高度子系统(2)-(5)写为
步骤4:针对速度子系统,定义速度跟踪误差为ev=V-Vc,设计控制输入T为
定义建模误差zv为
式中,βv>0为设计参数;
式中,γv>0,γzv>0和δv>0为设计参数;
式中,Lv>0和λv>0为设计参数;
式中,k1>0为控制参数;
引入一阶滤波器
式中,α2>0为控制参数;
式中,L1>0为设计参数;
定义航迹角跟踪误差为
设计一阶滤波器为
式中,α3>0为设计参数;
定义预测误差z2为
式中,β2>0为设计参数;
设计扰动观测器为
式中,L2>0和λ2>0为设计参数;
定义俯仰角跟踪误差为
式中,k3>0为设计参数;
设计一阶滤波器为
式中,α4>0为设计参数;
式中,L3>0为设计参数;
定义俯仰角速率跟踪误差为
设计控制输入δe为
定义建模误差z4为
式中,β4>0为设计参数;
式中,L4>0和λ4>0为设计参数;
步骤6:根据得到的推力T和舵偏角δe,返回到飞行器动力学模型(1)-(5),对速度和高度进行跟踪控制。
一种计算机系统,其特征在于包括:一个或多个处理器,计算机可读存储介质,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器上述的方法。
一种计算机可读存储介质,其特征在于存储有计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
一种计算机程序,其特征在于包括计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
有益效果
本发明提出的一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法,该方法考虑地效干扰对飞行状态的影响,将干扰引入到系统状态方程中。然后将飞行器纵向动力学模型转换为速度子系统和高度子系统,针对速度子系统设计动态逆控制;针对高度子系统设计反步法控制,面向地效干扰设计扰动观测器对其进行实时估计与补偿,面向未知气动不确定设计复合学习策略对其进行逼近,从而实现复合干扰不确定的有效处理。该发明综合考虑地效干扰和气动不确定影响进行控制律设计,充分协调系统的自适应性能和鲁棒性能,对实现超低空突防控制尤为关键。
本发明与现有技术相比有益效果为:
(1)本发明考虑地效干扰对飞行状态的影响,通过系统状态方程干扰表征,将地效干扰考虑进控制器设计中,提升了超低空近地飞行的实时响应特性。
(2)本发明考虑超低空环境造成的气动不确定问题,设计了基于复合学习和扰动观测的鲁棒自适应控制器,协调保证系统鲁棒抗干扰能力和自适性能。
(3)本发明充分考虑地面效应和气动不确定对飞行性能的影响,给出了基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法,实现了飞行器超低空近地安全可靠飞行。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
图1本发明方法流程图
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1,本发明一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法。具体步骤如下:
(a)考虑飞行器纵向通道动力学模型:
所述的运动学模型由五个状态量X=[V,h,γ,α,q]T和两个控制输入U=[δe,T]T组成;V表示速度,h表示高度,γ表示航迹角,α表示攻角,q表示俯仰角速度,δe表示舵偏角,T表示节流阀开度;m、Iyy和g分别表示质量、俯仰轴的转动惯量和重力引起的加速度。
力、力矩以及各系数的表达式为:
其中,Q=(1/2)ρV2表示动压,Sω=1.1712表示气动参考面积,cA=0.4118表示平均气动弦长,CL0=0.1651、CLα=4.5111、CD0=0.0230、CDα=0.0765、Cm0=-0.1539、Cmα=-5.2369和均表示气动参数。
(b)设计高度参考指令hd为
(c)将飞行器动力学模型解耦得到速度子系统(1)和高度子系统(2)-(5)。
速度子系统(1)写为
取x1=h,x2=γ,x3=θ,x4=q,其中θ=α+γ表示俯仰角,高度子系统(2)-(5)写为
(d)针对速度子系统,定义速度跟踪误差为ev=V-Vc,设计控制输入T为
定义建模误差zv为
式中,βv=5为设计参数。
式中,γv=2,γzv=0.5和δv=0.01。
式中,Lv=10和λv=2。
式中,k1=2。
引入一阶滤波器
式中,α2=0.05。
式中,L1=10。
定义航迹角跟踪误差为
设计一阶滤波器为
式中,α3=0.05。
定义预测误差z2为
式中,β2=5。
设计扰动观测器为
式中,L2=10和λ2=2。
定义俯仰角跟踪误差为
式中,k3=3。
设计一阶滤波器为
式中,α4=0.05。
式中,L3=10。
定义俯仰角速率跟踪误差为
设计控制输入δe为
定义建模误差z4为
式中,β4=5。
式中,L4=10和λ4=2。
(f)根据得到的推力T和舵偏角δe,返回到飞行器动力学模型(1)-(5),对速度和高度进行跟踪控制。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于地效干扰补偿的低空飞行鲁棒智能控制方法,其特征在于步骤如下:
步骤1:考虑飞行器纵向通道动力学模型:
所述的动力学模型由五个状态量X=[V,h,γ,α,q]T和两个控制输入U=[δe,T]T组成;V表示速度,h表示高度,γ表示航迹角,α表示攻角,q表示俯仰角速度,δe表示舵偏角,T表示节流阀开度;m、Iyy和g分别表示质量、俯仰轴的转动惯量和重力引起的加速度;
力、力矩以及各系数的表达式为:
步骤2:设计高度参考指令hd为
其中,xg表示飞行器重心沿地面坐标系x轴的投影,满足 Z2表示飞行器直线下滑时的初始高度,由设计者给出;Z1表示飞行器末端拉平时的初始高度,由设计者给出;Z0表示超低空飞行段的初始高度,由设计者给出;
步骤3:将飞行器动力学模型解耦得到速度子系统(1)和高度子系统(2)-(5);
速度子系统(1)写为
取x1=h,x2=γ,x3=θ,x4=q,其中θ=α+γ表示俯仰角,高度子系统(2)-(5)写为
步骤4:针对速度子系统,定义速度跟踪误差为ev=V-Vc,设计控制输入T为
定义建模误差zv为
式中,βv>0为设计参数;
式中,γv>0,γzv>0和δv>0为设计参数;
式中,Lv>0和λv>0为设计参数;
式中,k1>0为控制参数;
引入一阶滤波器
式中,α2>0为控制参数;
式中,L1>0为设计参数;
定义航迹角跟踪误差为
设计一阶滤波器为
式中,α3>0为设计参数;
定义预测误差z2为
式中,β2>0为设计参数;
设计扰动观测器为
式中,L2>0和λ2>0为设计参数;
定义俯仰角跟踪误差为
式中,k3>0为设计参数;
设计一阶滤波器为
式中,α4>0为设计参数;
式中,L3>0为设计参数;
定义俯仰角速率跟踪误差为
设计控制输入δe为
定义建模误差z4为
式中,β4>0为设计参数;
式中,L4>0和λ4>0为设计参数;
步骤6:根据得到的推力T和舵偏角δe,返回到飞行器动力学模型(1)-(5),对速度和高度进行跟踪控制。
2.一种计算机系统,其特征在于包括:一个或多个处理器,计算机可读存储介质,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现权利要求1所述的方法。
3.一种计算机可读存储介质,其特征在于存储有计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现权利要求1所述的方法。
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