一种直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法

技术领域

本发明属于航空飞行控制技术领域，涉及一种直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法。

背景技术

直升机吊挂运输不受交通状况、地理条件制约，不需要考虑机身容积、舱门等与吊挂物的匹配，可在常规交通工具难以到达的地方快速、高效完成起降、装卸任务，具备重要的军事和民用价值。

目前，直升机吊挂控制的研究依赖于直升机吊挂动力学模型的建立与分析，其对飞行稳定性和操纵性的提升同样依赖于模型的准确性。

而直升机吊挂飞行中，吊挂物及柔性吊索本身动力学受外界未知大气干扰影响加大，难以精确建模，这导致直升机吊挂动力学模型必然存在较大偏差，进而影响吊挂飞行控制系统的稳定性和操纵性，因此对抗吊挂干扰的吊挂飞行控制方法展开研究具有重要意义。

发明内容

发明目的：提供一种直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法。本发明能够提高吊挂飞行的稳定性和操纵性，且简化了飞行控制器调参工作，具备结构简单、工程可实现性强的特点。

技术方案：一种直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法，包括吊挂干扰在线观测方法、操纵指令在线平滑算法及可实现吊挂干扰抑制的自抗扰吊挂飞行控制方法；吊挂干扰在线观测方法，用于观测吊挂干扰对直升机状态的影响；操纵指令在线平滑算法，用于在线生成考虑直升机实际操纵能力的操纵指令；自抗扰吊挂飞行控制方法，用于根据观测到的吊挂影响及在线生成的操纵指令设计控制系统结构。

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，所述吊挂干扰在线观测方法具体设计方法如下：

1.确定吊挂干扰特征频率范围；

2.设计吊挂干扰观测器结构；

3.确定观测器各项设计参数：

a.设计观测器各项设计参数与观测器带宽ω

b.根据吊挂干扰特征频率范围，整定观测器带宽，并进一步依据观测器参数与观测器带宽的映射关系，计算观测器各项设计参数。

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，吊挂干扰特征频率范围的确认方法为：

a.直升机吊挂动力学模型为输入；

b.确定不同吊挂重量、吊索长度、飞行速度情况下的吊挂动力学干扰的特征频率范围[ω

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，吊挂干扰观测器结构的设计方法为：根据扩张状态观测器理论和吊挂动力学模型，确定吊挂干扰观测器的阶数、非线性函数形式。

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，操纵指令在线平滑算法具体设计方法如下：

1.计算最大可实现指令带宽；

2.设计指令在线平滑算法：

a.设计指令平滑器结构：根据期望的响应类型，确定指令平滑器结构；

b.确定指令平滑器设计参数：根据最大操纵指令带宽与指令平滑器的结构，确定指令平滑器设计参数。

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，各通道可用的最大可用操纵面偏转量包括：总距、纵/横周期变距、尾桨桨距的偏转量。

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，计算最大可实现指令带宽的方法如下：

a.分析操纵机构最大偏转幅值与偏转速率：分析吊挂飞行中的操纵机构约束及变速飞行中的加速度和转弯坡度约束，确定各通道可用的最大可用操纵面偏转量；

b.计算最大操纵指令带宽：综合各通道可用的最大操纵面偏转量和线性动力学模型，反算各通道的最大操纵指令带宽ω

前述的直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法中，所述自抗扰吊挂飞行控制方法具体设计方法如下：

1.吊挂干扰实时观测值、平滑处理后的操纵指令及直升机-吊挂物状态信息为输入；

2.操纵面偏转指令为输出，操纵面偏转指令包括总距、周期变距、尾推桨距偏转指令；

3.根据期望响应类型，设计控制系统结构，整定各通道的自抗扰吊挂飞行控制器增益。

有益效果：

本发明针对现有直升机吊挂飞行控制方法存在的上述问题，本发明基于自抗扰控制理论，从干扰实时监测与补偿的角度，提供了一种解决上述问题的直升机抗吊挂干扰的自抗扰控制。具体地，本发明与现有技术相比，具有如下突出特点和显著的优点：

(1)直升机吊挂动力学系统的吊挂干扰观测技术

可仅根据直升机操纵输入信息和真实状态量信息，实现对吊挂干扰的在线实时观测，且通过仅整定观测器带宽一个参数，即可完成对观测器的各项参数的整定，可大大简化调参工作，且直接与频域性能指标关联，可针对性地实现处于典型带宽范围内的吊挂干扰的观测，非常适用于工程应用。如采用传统调参方式，需进行7～9个参数的整定，本发明仅需整定1个参数，即仅需整定观测器带宽。

(2)基于跟踪微分器的指令平滑技术

针对直升机吊挂飞行中操纵性下降及其导致的机动性受限问题，基于跟踪微分器设计了一种适用于直升机吊挂飞行的指令平滑技术。该技术跟根据吊挂飞行实际可用操纵能力，并结合变速飞行中的加速度和转弯坡度约束，以及操纵结构约束，计算可实现的最大指令带宽，并据此在线生成平滑指令，保证指令的物理可实现性，为改善“飞行员诱发振荡”、抑制吊挂振荡和稳定吊挂飞行提供指令基础。通过该方法，有效提高了直升机的任务执行能力和稳定性。

(3)可实现吊挂干扰抑制的自抗扰吊挂飞行控制方法

一方面，基于吊挂干扰观测器实时观测的吊挂干扰观测信号，可补偿未建模动态与大气干扰对吊挂飞行稳定性的影响；另一方面，基于指令平滑器输出的目标指令信号，可在增强指令跟踪快速性的同时，显著降低跟踪超调量，可快速跟踪飞行员指令以达到快速抑制吊挂振荡的目的，同时不会因响应的快速性造成振荡加剧。此外，该控制技术具有结构简洁、工程可实现性强的优点。采用本发明，能够有效降低约30％的跟踪超调量，同时响应时间加快了10％～15％，解决了降低跟踪超调量和提高响应时间快速性二者难以兼顾的技术问题。

附图说明

图1为本发明总体结构框图。

图1中：

δ——实时操纵指令

——平滑处理后的期望状态量指令

u——操纵面偏转指令，包括总距指令、纵/横向周期变距指令、尾桨桨距指令

d——位置吊挂干扰

x——直升机-吊挂系统实时状态量

——吊挂干扰在线实时观测值。

具体实施方式

实施例1。一种直升抗吊挂干扰的自抗扰控制方法，参见图1，由三部分构成：吊挂干扰在线观测方法、操纵指令在线平滑技术及可实现吊挂干扰抑制的自抗扰飞行控制技术。吊挂干扰在线观测方法，用于观测吊挂干扰对直升机状态的影响；操纵指令在线平滑算法，用于在线生成考虑直升机实际操纵能力的操纵指令；自抗扰吊挂飞行控制方法，用于根据观测到的吊挂影响及在线生成的操纵指令设计控制系统结构。

所述吊挂干扰在线观测方法具体设计方法如下：

1.确定吊挂干扰特征频率范围

a.直升机吊挂动力学模型为输入；

b.确定不同吊挂重量、吊索长度、飞行速度情况下的吊挂动力学干扰的特征频率范围[ω

2.设计吊挂干扰观测器结构

根据扩张状态观测器理论和吊挂动力学模型，确定吊挂干扰观测器的阶数、非线性函数形式；

3.确定观测器各项设计参数

a.设计观测器各项设计参数与观测器带宽ω

b.根据吊挂干扰特征频率范围，整定观测器带宽，并进一步依据观测器参数与观测器带宽的映射关系，计算观测器各项设计参数；

所述操纵指令在线平滑算法具体设计方法如下：

1.计算最大可实现指令带宽

a.分析操纵机构最大偏转幅值与偏转速率

分析吊挂飞行中的操纵机构约束及变速飞行中的加速度和转弯坡度约束，确定各通道可用的最大可用操纵面偏转量，包括总距、纵/横周期变距、尾桨桨距；

b.计算最大操纵指令带宽

综合各通道可用的最大操纵面偏转量和线性动力学模型，反算各通道的最大操纵指令带宽ω

2.设计指令在线平滑算法

a.设计指令平滑器结构

根据期望的响应类型，确定指令平滑器结构；

b.确定指令平滑器设计参数

根据最大操纵指令带宽与指令平滑器的结构，确定指令平滑器设计参数(即指令平滑器带宽)；

所述自抗扰吊挂飞行控制方法具体设计方法如下：

1.吊挂干扰实时观测值、平滑处理后的操纵指令及直升机-吊挂物状态信息为输入；

2.操纵面偏转指令为输出，包括总距、周期变距、尾推桨距偏转指令；

3.根据期望响应类型，设计控制系统结构，整定各通道的自抗扰吊挂飞行控制器增益。