一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法

技术领域

本发明涉及飞行器抗干扰控制技术领域，具体是涉及一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法。

背景技术

在传统的变体飞行器的建模方法中，最为常见的有多体建模，分析力学建模和矢量力学建模，由于变体飞行器本身设计因素影响，其具有较为复杂的变形结构和作动机械结构，导致使用普遍性方法的建模较为复杂，飞行器气动外形变化时，自身的气动参数也会随之改变，从而使气动参数不固定，准确度底。

目前，几乎所有的系统都存在外部干扰，例如运动控制系统、机器人操纵系统、复杂化工过程、终端滑模系统以及飞行控制系统等。现有反应体系存在输入干扰的情况下飞行器在变形过程中稳定性差，控制效果不好，因此抗干扰控制的问题吸引了学术界和工程界的广泛关注。

因此，需要设计出一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法，为了降低研究系统模型问题的复杂性，在这里针对一种翼型弯度可变的变体飞行器的纵向特性及其控制问题，构建了变体飞行器的理论模型，建立常规飞行器的纵向模型，在模型中将与翼型弯度相关的变参量引入至气动参数中，也就是将飞行器的气动参数与翼型弯度关系进行拟合，随后对其进行小扰动线性化处理，利用拟合后的飞行器纵向气动参数与翼型弯度的函数关系，建立起该飞行器的变参数模型，即建立具体的状态空间模型，随后根据扰动观测器理论，设计一类算法，解决了具备外部扰动的系统控制问题。基于平均驻留时间方法构造切换信号，同时结合状态反馈信息以及干扰估计信息，设计了一类PI型抗干扰复合控制器。随后基于李雅普诺夫稳定性分析法，证明了所设计的闭环系统的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法，用来解决常规的飞行器建模方法复杂，准确度底，并且现有反应体系存在输入干扰的情况下飞行器在变形过程中稳定性差的问题。

为实现上述目的，本发明的一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法的具体技术方案如下：

一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)：基于一般飞行器的常规动力学建模，获得其动力学方程以及运动学方程；根据飞行器动力学方程以及运动学方程，得到飞行器在不同坐标轴系的模型方程；对飞行器模型的运动方程进行解耦，得到与横侧向状态量无关的纵向运动方程；

步骤(2)：基于纵向运动方程以及机翼切换原理，拟合得到具有弯度关系的机翼的气动参数，随后代入变体飞行器的纵向模型并配平，得到随着翼型弯度变化的平衡点，结合平衡点构建出变体飞行器纵向小扰动线性化方程及含参模型，即建立具体的状态空间模型；

步骤(3)：再根据建立的状态空间模型，同时结合干扰存在，分别设计PI型控制器以及干扰观测器，实现对未知干扰的估计以及对输出的有效控制；

步骤(4)：结合李雅普诺夫稳定性分析法，得到对应控制器增益和观测器增益，并将其带入状态空间模型进行应用完成飞行器变形的抗干扰控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明使用的是变参数建模法，相较于常规的飞行器建模方法更为简单且准确性更高，为变体飞行器控制研究提供了另一种思路。

(2)本发明针对飞行器变机翼弯度进行控制分析，并设计合理的平均驻留时间使变形过程的控制问题具有更好的效果。

(3)通过本发明的干扰观测器方法对干扰存在的情况进行估计和补偿，能够有效抑制干扰，提高变体过程的稳定性。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示的一种基于干扰观测器的变体飞行器变形控制方法，包括以下步骤：

步骤(1)基于一般飞行器的常规动力学建模，获得其动力学方程以及运动学方程；根据飞行器动力学方程以及运动学方程，得到飞行器在不同坐标轴系的模型方程；对飞行器模型的运动方程进行解耦，得到与横侧向状态量无关的纵向运动方程，具体为：根据牛顿运动定律，在下面给出了飞行器机体坐标系的动力学方程以及运动学方程，过程如下：

力方程组

运动方程组

力矩方程组

导航方程组

根据上述的飞行器动力学方程以及运动学方程，可以得到飞行器不同坐标轴系的模型方程：

(1)机体坐标系模型方程

假设发动机推力偏置角为α

其中，转换矩阵

在上式中代入各项力可以得到：

展开上式可得：

将上式代入到力方程组式内，可得机体坐标系模型方程：

其中，α表示飞行器的迎角，β表示侧滑角。

(2)气流坐标系模型方程

假定飞行器总外力为F

将飞行器力方程组式代入后可得气流坐标系模型方程：

在本文中，我们假设飞行器处于理想飞行环境，即无水平无侧滑的理想飞行条件下(φ＝β≡0，p＝r≡0，

式中，V为飞行器速度，α表示飞行器的迎角，m为飞行器质量，g为重力加速度；θ，q分别为俯仰角及俯仰角速度；I

其中，C

步骤(2)基于纵向运动方程以及机翼切换原理，拟合得到具有弯度关系的机翼的气动参数，随后代入变体飞行器的纵向模型并配平，得到随着翼型弯度变化的平衡点，结合平衡点构建出变体飞行器纵向小扰动线性化方程及含参模型，即建立具体的状态空间模型，具体过程如下：

首先给出机翼气动参数机翼的气动参数：

(1)飞行器升力参数

飞行器是依靠在大气流动中运动提供的升力，从而在天上飞行的。飞行器的升力主要来源于机翼升力L

L＝L

将各部分升力代入可得：

升力主要来源于机翼，全动平尾舵面飞行器模型作为本章中使用的模型，飞行器机身升力相比较舵面产生的气动力极小，因此其对于飞行器整体力矩的影响可以忽略不计，接下来我们对升力公式进行优化，将其简化成机翼升力和全动平尾舵面的升力和。

基于上述分析，飞行器升力系数可以修改成：

其中，定义整个飞行器零迎角升力系数C

C

C

(2)飞行器阻力参数

组成飞行器的阻力因素较为复杂，一般情况下，由零升阻力D

其中，定义零升阻力系数

其中，ε为飞行器的下洗角。飞行器处于超声速飞行状态时，升致波阻是升致阻力的主要构成因素：

根据飞行器阻力与迎角的关系，其阻力系数可写成：

C

通过飞行器阻力的组成因素可知，阻力系数与和升力系数有关，且阻力主要来源于气流对升力部件和机身的作用，机身阻力与迎角之间可近似看作线性关系，通过C

C

C

(3)飞行器纵向俯仰力矩参数

力矩能够影响飞行器的飞行性能与姿态，也是飞行器中的重要参数，通常情况下，主要是由飞行器的升力和舵面气动力产生力矩，可描述为如下形式：

M

根据上式可知，飞行器整体力矩由机翼，机身与平尾产生的力矩所组成。

本文使用的飞行器为全动平尾，忽略了机身的升力，因此可将总静态俯仰力矩系数简化为：

其中，

C

C

综上，代入到变体飞行器气动参数与翼型弯度的函数关系中，拟合得到具有弯度关系的机翼的气动参数，具体表达式如下：

C

其中，C

得到飞行器的气动参数后，将函数关系式代入至变体飞行器的系统模型中进一步研究控制问题。

其次是飞行器的的配平，即确定其平衡点。其基本原理是：以地球为坐标系，使得飞行器在坐标系中的X与Z两个轴上的力合力为0，此时，力处于平衡状态，并且纵向力矩平衡，也就是说一般是针对纵向的配平。因此，针对不同翼型弯度f状态下的变体飞行器进行配平，得出平衡状态下的迎角α，升降舵偏角δ

根据上述原理，得到配平的简要方程：

将其代入各弯度条件下的气动参数，可以求出不同弯度下的平衡点，结合变体飞行器的物理参数模型，代入飞行器的升力L，阻力D，力矩M和推力T的相关公式，可以得到随着弯度变化的平衡点。

进一步地，可求出拟合平衡点与弯度变化的函数关系：

α

其中，α

得到飞行器纵向的模型方程后，对系统模型方程在平衡点进行小扰动线性化的处理，可以得到飞行器的状态方程：

上式中，

对平衡点进行线性化处理，可得矩阵E，状态矩阵A和控制矩阵B：

接着，对飞行器模型简化处理，考虑到飞行器的飞行条件为无侧滑水平飞行，因此令矩阵E中与迎角变化率相关的气动动导数

同上，状态矩阵A中的俯仰角速率相关的气动动导数

另外，由于平衡点的迎角α

至此可用

A(f)为带有翼型弯度变化参量f的变体飞行器含参模型状态矩阵，该飞行器通过增加翼型上表面厚度来增加翼展弯度f，翼展弯度f引起的状态量的变化从而改变飞行状态，其中，该变体飞行器的相对弯度递增幅度为0.25％，翼型相对弯度变化范围为1％至2.5％，即f的取值在[1,2.5]之间。分别对这些变化翼型进行数值仿真。可得到变形翼的气动特性随弯度变化的影响。

根据计算得到的系统矩阵，建立如下状态空间模型：

其中d(t)表示未知干扰，并且满足：

其中w(t)为干扰状态，H,Y表示和干扰类型相关的参数。

步骤(3)再根据建立的状态空间模型，同时结合干扰存在，分别设计PI型控制器以及干扰观测器，实现对未知干扰的估计以及对输出的有效控制；具体为：为了获得良好的跟踪性能，定义新的增广变量

增广系统可以描述为：

其中

式中

进一步，结合干扰估计设计PI状态反馈控制器为：

步骤(4)结合李雅普诺夫稳定性分析法，求解得到对应控制器增益和观测器增益，并将其带入状态空间模型进行应用完成飞行器变形的抗干扰控制。

用于求解控制器和观测器增益的李雅普诺夫分析法表述为：

定理1：对于给定常数T

P

则可以推导出变体飞行器系统是稳定的，且干扰估计误差系统也是收敛的，并且能够获得良好的跟踪性能，其中控制器和干扰观测器增益可以通过

证明：选取如下李雅普诺夫函数：φ

根据步骤(3)易得：

基于舒尔补引理在第一个矩阵不等式两边同时乘以diag{ρ

此时，若有φ

(1)当系统运行时，系统不满足条件

(2)当系统运行时，系统可以满足条件

将上述不等式化简后，可得如下形式：

假设在切换时刻t

时，有：

结合上式，可得：

基于以上条件以及迭代定理，我们可以得到：

通过定理可知，

综合上述两种情况可知，φ

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。