CN117250854B - 控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，采用三阶系统设计飞行姿态的控制参数，并在设计控制参数时引入了积分系数，将积分系数作为影响飞行器姿态调整的重要因素，使得控制模型建模更加精准，提高了对飞行器姿态的控制精度。在引入积分系数的基础上，以最大舵偏值作为输出的饱和限制来确定合适带宽，相比较现有方案一味增加增益来设计内环的方式，不会降低系统裕度，能够使得系统能够更快速地消除外加扰动，进而提高系统响应的快速性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及飞行姿态控制技术领域，具体涉及一种控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法。
背景技术
飞行器姿态控制的闭环系统的性能受限于最内环的性能，最内环的性能又受限于饱和限制（最大舵偏值）。例如，在设计驾驶仪时，舵偏角度存在物理限制，飞行器的角速度因此而受限。现有技术在设计内环时，没有考虑饱和限制对系统带宽的约束，通常采用增加增益的方式来设计内环，但一味增加增益可能反而会降低系统裕度，不能使系统更快地消除外加扰动，无法进一步提升系统性能。所以在饱和限制的条件约束下，如何设计出带宽尽可能大的内环，以提高系统相应速度和稳定性是本发明需要解决的技术问题。
另外，现有方案对飞行姿态的控制计算中，通常将系统简化为二阶系统来设计控制参数，在首先计算得到外环的比例系数（该比例系数为外环姿态回路的比例控制参数）后，使得积分系数（该积分系数为外环姿态回路的积分控制参数）与比例系数呈合适比例即可，并未考虑积分系数本身对控制参数动态调整精准性的影响，建模不够精准，进而使得对飞行姿态的控制精度不够理想。
发明内容
本发明以提高对飞行器的姿态控制精度为目的，提供了一种控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
提供一种控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，包括步骤：
S1，构建闭环传递函数的特征方程，并构建飞行姿态控制的三阶系统的特征方程/>；
S2，确定系统幅值裕度和相位裕度，并引入积分系数，在使得/>的条件下，求解飞行姿态的控制参数；
S3，根据所述控制参数调节飞行器的飞行姿态。
作为优选，，其中，/>为算子；/>、/>分别为空气动力阻尼和舵的效率；/>为微分系数；/>为比例系数。
作为优选，，其中/>表示飞行器允许的最大舵偏角；/>表示飞行器允许的最大姿态角偏差。
作为优选，，其中，/>表示极点，/>表示阻尼比，/>表示带宽。
作为优选，步骤S2中，确定系统的所述幅值裕度和所述相位裕度的方法为：在系统的开环传递函数和闭环传递函数的Bode图中，调节和/>的值，使得取得所需的所述幅值裕度和所述相位裕度。
作为优选，。
作为优选，，其中，/>为算子；/>表示极点，/>表示阻尼比，/>表示带宽。
作为优选，，/>为比例系数。
作为优选，使得的条件为：/>，/>0。
作为优选，系统的所述闭环传递函数，系统的开环传递函数。
本发明具有以下有益效果：
1、采用三阶系统设计飞行姿态的控制参数，并在设计控制参数时引入了积分系数，将积分系数作为影响飞行器姿态调整的重要因素，使得控制模型建模更加精准，提高了对飞行器姿态的控制精度。
2、在引入积分系数的基础上，以最大舵偏值作为输出的饱和限制来确定合适带宽，相比较现有方案一味增加增益来设计内环的方式，不会降低系统裕度，能够使得系统能够更快速地消除外加扰动，进而提高系统响应的快速性和稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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是本发明一实施例提供的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法的实现步骤图；
图2是姿态控制器的控制逻辑图；
图3是系统的开环传递函数的Bode图；
图4是系统的闭环传递函数的Bode图；
图5是系统根据调整的控制参数的阶跃响应示例图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
动力系数、/>分别为空气动力阻尼和舵的效率，以下以/>0，/>260为例，对本发明实施例提供的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法进行具体阐述。
控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法如图1所示，包括如下步骤：
S1，构建闭环传递函数的特征方程，并构建飞行控制的三阶系统的特征方程；
S2，确定系统幅值裕度和相位裕度，并引入积分系数，在使得/>的条件下，求解飞行姿态的控制参数；
S3，根据控制参数调节飞行器的飞行姿态。
具体而言，首先，构建如图2所示的姿态控制器的控制逻辑。图2中，被控量为姿态角，反馈量为姿态角/>和姿态角速度p，/>为姿态角偏差，/>为舵偏角，/>为动力系数，/>为空气动力阻尼，/>为舵的效率，/>为已知量，根据气动参数和总体参数计算而得。具体地，/>具体的其中，/>为力矩对角速度的导数，/>为力矩对舵偏的导数，q为动压，/>为参考面积，/>为参考长度，/>为转动惯量。
然后，根据姿态控制器的控制逻辑，求解系统的开环传递函数，并求解系统的闭环传递函数/>，其中闭环传递函数的特征方程/>，其中，/>为算子；/>、/>分别为空气动力阻尼和舵的效率；/>为微分系数；/>为比例系数。
本发明采用三阶系统控制飞行姿态，其特征方程，其中，/>为算子；/>表示极点（该极点为特征方程的实根），/>表示阻尼系数，/>表示带宽。这里需要说明的是，采用特征方程表示为/>的三阶系统相比较现有技术采用二阶系统在控制飞行姿态中的技术先进性在于设计参数时将积分环节考虑进去，取得该技术先进性的技术原理为：计算系统传递函数时，加入积分环节，建模更加精准，充分考虑积分环节本身对控制参数动态调整精准性的影响，进而使得对飞行姿态的控制精度更高。
展开后表示为，/>。
随后，使得，使得/>的条件为/>，/>0，此时/>=/>，/>=/>，/>=/>。/>，0能够使得/>的技术原理为：系统带宽为正，增加负极点，系统为欠阻尼，使两个等式对应系数相等，计算参数。
并且，根据最大舵偏角和最大姿态角偏差，确定比例系数，/>。本实施例中，假设/>20为允许的最大舵偏角，/>30为允许的最大姿态角偏差，根据允许的最大舵偏角和最大姿态角偏差，计算得到/>=0.667。根据最大舵偏值确定合适的带宽，避免舵偏长时间达到上限导致系统性能降低。
然后，用matlab软件绘制如图3所示的系统的开环传递函数的Bode图，以及绘制图4中所示的系统的闭环传递函数的Bode图，然后通过调节和/>的值，使系统幅值裕度＞6dB ，相位裕度＞40°，本实施例中/>=60，/>时，满足设计要求。
最后，根据确定的和/>，进一步求解控制参数，/>，/>。系统根据调整的控制参数的阶跃响应情况如图5所示。
综上，本发明采用三阶系统设计飞行姿态的控制参数，并在设计控制参数时引入了积分系数，将积分系数作为影响飞行器姿态调整的重要因素，使得控制模型建模更加精准，提高了对飞行器姿态的控制精度。在引入积分系数的基础上，以最大舵偏值作为输出的饱和限制来确定合适带宽，相比较现有方案一味增加增益来设计内环的方式，不会降低系统裕度，能够使得系统能够更快速地消除外加扰动，进而提高系统响应的快速性和稳定性。
需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。
Claims (6)
1.一种控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1，构建飞行器姿态控制的闭环系统的闭环传递函数的特征方程，并构建飞行姿态控制的三阶系统的特征方程/>；
S2，确定系统幅值裕度和相位裕度，并引入积分系数，在使得/>的条件下，求解飞行姿态的控制参数；
S3，根据所述控制参数调节飞行器的飞行姿态；
，其中，/>为算子；/>、/>分别为空气动力阻尼和空气舵效；/>为微分系数；/>为比例系数；
，其中/>表示飞行器允许的最大舵偏角；/>表示飞行器允许的最大姿态角偏差；
，其中，/>表示极点，/>表示阻尼比，/>表示带宽；
；
。
2.根据权利要求1所述的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，其特征在于，步骤S2中，确定系统的所述幅值裕度和所述相位裕度的方法为：在系统的开环传递函数和闭环传递函数的Bode图中，调节和/>的值，使得取得所需的所述幅值裕度和所述相位裕度。
3.根据权利要求1所述的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，其特征在于，。
4.根据权利要求1所述的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，其特征在于，，/>为比例系数。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，其特征在于，使得的条件为：/>，/>0。
6.根据权利要求1所述的控制参数设计引入积分系数的飞行姿态控制方法，其特征在于，系统的所述闭环传递函数，系统的开环传递函数。
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