CN117389154B - 基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，属于飞行器控制领域，包括：联合与变形状态和飞行状态多变量非线性相关的气动参数，设计增广控制变量，建立严反馈形式下考虑多源干扰的变构飞行器姿态动力学模型；基于干扰可导且导数有界假设，设计滑模干扰观测器；以姿态控制力矩为输出，设计基于滑模干扰观测的抗干扰姿态控制器；设计分配性能指标，结合增广控制变量的执行能力约束，构建动态控制分配器，实现姿态控制力矩到增广控制变量的动态分配映射；联合滑模干扰观测器、抗干扰姿态控制器和动态控制分配器，完成姿态控制。本发明可实现变构飞行器在气动不确定性、变形动态等多源干扰下的快速安全姿态控制。
Description
技术领域
本发明属于飞行器控制领域，具体涉及基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，从飞行安全性和控制敏捷性的角度出发，联合设计滑模干扰观测器、抗干扰姿态控制器和动态控制分配器，解决变构飞行器任务执行过程中以变形辅助飞行的姿态控制问题。
背景技术
变构飞行器在飞行过程中利用翼展、后掠、尾部等部位构型变化，可有效改善气动特性、增强操纵能力，在应急救援、现代农业、物流运输等领域具有广阔的应用前景。随着新材料研发和智能控制等技术的发展，变构飞行已成为新一代飞行器的强力发展方向。姿态控制是保障飞行器安全高效飞行的核心关键之一，然而飞行器的变构能力为系统引入了复杂的变形与姿态动力学耦合、参数不确定、执行器混合异类等特性，使其姿态控制面临挑战。
国内外针对变构型飞行器姿态控制问题已开展了一定的方法研究，但大多聚焦飞行安全性，将变构飞行动力学耦合特性、气动系数不确定性、惯量不确定性等直接视为干扰进行处理。这本质上属于固定构型飞行器姿态控制方法的演化应用，未充分结合构型变化以及基于舵偏的姿态控制，使得变形赋能难以有效利用，变构飞行的高效性和经济性也将无从谈起，违背变构飞行器较固定构型的气动特性可改善、操纵特性可增强的研发理念。
综上所述，现有方法针对变构飞行器以变形辅助飞行的姿态控制问题，对气动特性改善、操纵特性增强的利用尚有不足，为进一步提高变构飞行器的飞行安全性，亟需提出一种新的基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法。
发明内容
针对变构飞行器以变形辅助飞行下的姿态控制问题，克服现有方法对变构引入的气动特性改善、操纵特性增强的利用不足、抗干扰能力不高的局限，本发明提出一种基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，联合抗干扰姿态控制和动态控制分配完成变构飞行器姿态控制。本发明可实现变构飞行器在气动不确定性、变形误差等多干扰影响下的高精度姿态控制，并利用构型变化达成快速姿态机动效果。
为达到上述目的，本发明从飞行安全性和控制敏捷性的角度出发，联合设计滑模干扰观测器、抗干扰姿态控制器以及动态控制分配器，提出基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，解决变构飞行器的姿态控制问题，具体采用的技术方案如下：
基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，包括以下步骤：
第一步，联合与变形状态和飞行状态多变量非线性相关的气动参数表达式，设计增广控制变量，建立严反馈形式下考虑多源干扰的变构飞行器姿态动力学模型；所述变构飞行器为翼展和后掠角均可变化的飞行器；所述多源干扰包括未知非线性动态力和变形动态力矩；
第二步，基于多源干扰可导且导数有界假设，设计滑模干扰观测器；
第三步，以姿态控制力矩为输出，设计基于滑模干扰观测的抗干扰姿态控制器；
第四步，设计分配性能指标，结合增广控制变量的执行能力约束，构建动态控制分配器，实现姿态控制力矩到增广控制变量的动态分配映射；
第五步，联合滑模干扰观测器、抗干扰姿态控制器和动态控制分配器，集成于变构飞行器，完成任务执行过程中的姿态控制。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：针对变构飞行器以变形辅助飞行下的姿态控制问题，现有方法对变构引入的气动特性改善、操纵特性增强的利用、抗干扰能力方面存在局限，本发明提出一种基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，联合抗干扰姿态控制和异类执行机构动态控制分配，完成变构飞行器姿态控制，能够利用滑模干扰观测器和抗干扰控制器对气动不确定性、变形误差等多源干扰影响进行自适应地估计与抑制，实现多源干扰下的高精度姿态控制；并通过基于泰勒级数转化的线性寻优进行姿态控制力矩的动态控制分配，协调构型和舵偏变化，使得飞行器在机动过程中利用构型变化带来的气动特性和操纵特性提升，达到快速安全的姿态机动效果。
附图说明
图1为本发明的基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法的流程图。
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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所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。
如图1所示，本发明提出的一种基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，包括以下步骤：
第一步，联合与变形状态和飞行状态多变量非线性相关的气动参数表达式，设计增广控制变量，建立严反馈形式下考虑多源干扰的变构飞行器姿态动力学模型；所述变构飞行器为翼展和后掠角均可变化的飞行器；所述多源干扰包括未知非线性动态力和变形动态力矩；
第二步，基于多源干扰可导且导数有界假设，设计滑模干扰观测器；
第三步，以姿态控制力矩为输出，设计基于滑模干扰观测的抗干扰姿态控制器；
第四步，设计分配性能指标，结合增广控制变量的执行能力约束，构建动态控制分配器，实现姿态控制力矩到增广控制变量的动态分配映射；
第五步，联合滑模干扰观测器、抗干扰姿态控制器和动态控制分配器，集成于变构飞行器，完成任务执行过程中的姿态控制。
具体地，以翼展和后掠角均可变化的某型号变构型飞行器为应用对象，其最大翼展2.8m、最小翼展1m，最大后掠角60度、最小后掠角0度，解释本发明的具体步骤：
具体地，所述第一步包括：
联合与变形状态和飞行状态多变量非线性相关的气动参数表达式为：
，
其中，表示飞行器滚转力矩系数，/>表示偏航力矩系数，/>表示俯仰力矩系数，/>表示飞行器滚转力矩系数的非线性多项式函数、/>表示偏航力矩系数的非线性多项式函数、/>表示俯仰力矩系数的非线性多项式函数，相关变量包括飞行器的后掠角、翼展/>、飞行迎角/>、飞行侧滑角/>、速度马赫数/>、滚转舵偏/>、偏航舵偏/>、俯仰舵偏/>；
设计增广控制变量，是考虑构型和舵偏异类执行机构在内的增广控制变量，上标/>表示转置符号；
基于多刚体建模方法，以飞行器的机体为主刚体，以机体质心为名义质心，建立严反馈形式下考虑多源干扰的变构飞行器姿态动力学模型为：
，
其中，表示飞行姿态角向量，表达式为/>，/>表示倾侧角，表示/>的导数；/>表示飞行姿态角速度向量，表达式为/>，/>表示滚转角速度，/>表示偏航角速度，/>表示俯仰角速度，/>表示/>的导数；/>表示包括变形附加力在内的系统集总未知非线性动态力，表达式为/>，/>、、/>分别为/>在三轴上的分量；/>表示包括变形动态力矩和外界环境影响在内的集总干扰，表达式为/>，/>、/>、/>分别为/>在三轴上的分量；表示控制力矩，表达式为/>，各分量表达式为：滚转力矩、偏航力矩/>、俯仰力矩/>，表示空气密度，/>表示飞行速度，/>表示气动参考面积，/>和/>分别表示机翼的横向参考长度和纵向参考长度，根据气动参数知控制力矩/>与增广控制变量/>非线性相关；/>表示力矩作用矩阵，表达式为/>，/>、/>、/>表示飞行器对机体坐标系三轴的转动惯量，上标/>表示矩阵求逆算子，/>表示以/>为对角元素的对角矩阵；矩阵/>和矩阵/>表示系统名义矩阵，表达式分别为：
，
。
具体地，所述第二步包括：
基于多源干扰可导且导数有界的假设为，其中/>为干扰/>的导数，为/>的上界，符号/>表示取绝对值，/>表示编号，/>；
设计滑模干扰观测器为：
，
其中，表示/>的估计变量，/>表示/>的导数，/>表示中间状态变量，，/>，/>，/>，/>，/>；/>表示/>的估计变量，/>表示/>的导数；/>表示中间变量，其值为向量/>的第i维分量；/>和/>表示各观测器的设计参数，均为正数；/>表示符号函数；
针对该变构飞行器，假设，/>，/>，/>，，/>；各滑模干扰观测器的设计参数取值为：/>，；/>，/>；/>，/>；/>，；/>，/>；/>，/>。
具体地，所述第三步中，设计基于滑模干扰观测的抗干扰姿态控制器为：
，
其中，和/>表示中间矩阵，表达式分别为/>和/>，表示微分算子；/>表示飞行迎角导数/>的估计值，表达式为/>，/>表示飞行侧滑角导数/>的估计值，表达式为/>；/>表示期望姿态角向量，/>为/>的一阶导数，/>为/>的二阶导数；/>和/>表示滑模干扰观测器的估计向量，表达式分别为/>和/>；/>表示姿态角误差变量，表达式为/>；/> 表示中间误差变量，表达式为；/>和/>表示中间矩阵，表达式为：
，
其中，、/>、/>、/>、/>表示该抗干扰姿态控制器的设计参数，均为正数；
针对该变构飞行器，抗干扰姿态控制器的设计参数取值为：，/>，，/>，/>。
具体地，所述第四步包括：
设计分配性能指标为，表达式为/>，其中/>表示向量二范数的平方，/>和/>为给定的权重矩阵；/>表示系统当前采样时刻，/>表示采样时间间隔，/>表示上一采样时刻；/>表示当前采样时刻分配器待求解的最优增广控制变量，/>表示上一采样时刻控制分配器求解的最优增广控制变量；
结合增广控制变量的执行能力约束为，其中/>和分别表示增广控制变量的最小执行能力和最大执行能力；
构建动态控制分配器为，其中/>为如下优化问题的最优解：
，
其中，符号表示求函数最小值，/>表示约束函数；/>表示当前时刻/>待分配的姿态控制力矩，/>表示上一采样时刻飞行器的姿态控制力矩；/>表示控制效能矩阵，其表达式为/>，/>表示微分算子，该控制效能矩阵/>基于泰勒级数将控制力矩/>的非线性分配约束转为线性分配约束；当前采样时刻分配器待求解的最优增广控制变量/>基于二次规划方法在线快速求解，从而实现姿态控制力矩到增广控制变量的动态分配映射。
针对该变构飞行器，分配性能指标函数中的权重矩阵取值为对角矩阵，，/>；执行能力约束中，/>。
具体地，所述第五步包括：联合滑模干扰观测器、抗干扰姿态控制器和动态控制分配器，装载于变构飞行器，在任务执行过程中利用构型变化完成姿态机动控制。
本发明针对变构飞行器以变形辅助飞行下的姿态控制问题，提出一种基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，完成变构飞行器构型与姿态的协调控制。该方法联合抗干扰姿态控制和异类执行机构动态控制分配，能够利用滑模干扰观测器和抗干扰控制器对气动不确定性、变形误差等多源干扰影响进行自适应地估计与抑制，实现多源干扰下的高精度姿态控制；并通过基于泰勒级数转化的线性寻优进行姿态控制力矩的动态控制分配，协调构型和舵偏变化，使得飞行器在机动过程中利用构型变化带来的气动特性和操纵特性提升，达到快速安全的姿态机动效果。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于动态控制分配的变构飞行器抗干扰姿态协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，联合与变形状态和飞行状态多变量非线性相关的气动参数表达式，设计增广控制变量，建立严反馈形式下考虑多源干扰的变构飞行器姿态动力学模型；所述变构飞行器为翼展和后掠角均可变化的飞行器；所述多源干扰包括未知非线性动态力和变形动态力矩；所述气动参数包括飞行器的滚转力矩系数、偏航力矩系数/>、俯仰力矩系数/>，均是与变形状态和飞行状态多变量非线性相关的多项式函数，所述气动参数的相关变量包括飞行器的后掠角/>、翼展/>、飞行迎角/>、飞行侧滑角/>、速度马赫数/>、滚转舵偏、偏航舵偏/>、俯仰舵偏/>；
所述设计的增广控制变量，是考虑构型和舵偏异类执行机构在内的增广控制变量，上标T表示转置符号；
所述严反馈形式下考虑多源干扰的变构飞行器姿态动力学模型为：
，
其中，表示飞行姿态角向量，表达式为/>，/>表示倾侧角，/>表示的导数；/>表示飞行姿态角速度向量，表达式为/>，/>表示滚转角速度，/>表示偏航角速度，/>表示俯仰角速度，/>表示/>的导数；/>表示包括变形附加力在内的系统集总未知非线性动态力，表达式为/>，/>、/>、分别为/>在三轴上的分量；/>表示包括变形动态力矩和外界环境影响在内的集总干扰，表达式为/>，/>、/>、/>分别为/>在三轴上的分量；表示控制力矩，表达式为/>，各分量表达式为滚转力矩/>、偏航力矩/>、俯仰力矩/>，表示空气密度，/>表示飞行速度，/>表示气动参考面积，/>表示机翼的横向参考长度，/>表示机翼的纵向参考长度，根据气动参数得到控制力矩/>与增广控制变量/>非线性相关；/>表示力矩作用矩阵，表达式为/>，/>、/>、表示飞行器对机体坐标系三轴的转动惯量，上标/>表示矩阵求逆算子，/>表示以*为对角元素的对角矩阵；矩阵/>和矩阵/>表示系统名义矩阵，表达式分别为：
，
，
第二步，基于多源干扰可导且导数有界假设，设计滑模干扰观测器，包括：
所述多源干扰可导且导数有界的假设为，其中/>表示编号，；/>为/>的导数，/>为/>的上界，符号/>表示取绝对值；
所述滑模干扰观测器为：
，
其中，表示/>的估计变量，/>表示/>的导数，/>表示中间状态变量，，/>，/>，/>，/>，/>；表示/>的估计变量，/>表示/>的导数；/>表示中间变量，其值为向量的第i维分量；/>和/>表示各观测器的设计参数，均为正数；表示符号函数；
第三步，以姿态控制力矩为输出，设计基于滑模干扰观测的抗干扰姿态控制器；基于滑模干扰观测的抗干扰姿态控制器为：
，
其中，和/>表示中间矩阵，表达式分别为/>和/>，/>表示微分算子；/>表示飞行迎角导数/>的估计值，表达式为/>，/>表示飞行侧滑角导数/>的估计值，表达式为/>；/>表示期望姿态角向量，/>为/>的一阶导数，/>为/>的二阶导数；/>和/>表示滑模干扰观测器的估计向量，表达式分别为/>和/>；/>表示姿态角误差变量，表达式为/>；/> 表示中间误差变量，表达式为；/>和/>表示中间矩阵，表达式为：
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第四步，设计分配性能指标，结合增广控制变量的执行能力约束，构建动态控制分配器，实现姿态控制力矩到增广控制变量的动态分配映射，包括：
所述分配性能指标为，表达式为/>，其中/>表示向量二范数的平方，/>和/>为给定的权重矩阵；/>表示系统当前采样时刻，/>表示采样时间间隔，/>表示上一采样时刻；/>表示当前采样时刻分配器待求解的最优增广控制变量，/>表示上一采样时刻控制分配器求解的最优增广控制变量；
增广控制变量的执行能力约束为，其中/>和/>分别表示增广控制变量的最小执行能力和最大执行能力；
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| 基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计;张天翼;周军;郭建国;;航空学报;20130925(01);215-222 * |
| 面向机动的临近空间飞行器自适应协调控制;窦立谦，等;哈尔滨工业大学学报;20230731;第55卷(第7期);141-150 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117389154A (zh) | 2024-01-12 |
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