一種彈性體飛行器的魯棒解耦控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)彈性體飛行器的輸入輸出穩(wěn)態(tài)解耦和對(duì)彈 性模態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的改善。
【背景技術(shù)】
[0002] 輸入輸出解耦是指每一個(gè)輸入單獨(dú)的控制某個(gè)輸出而不影響其他的輸出通道，每 個(gè)輸出通道也僅受到一個(gè)輸入控制。對(duì)于飛行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸入輸出解耦不僅能減輕飛 行員的操作負(fù)擔(dān)，而且能大大提高飛行器的機(jī)動(dòng)性能?，F(xiàn)有技術(shù)中，基于求取傳遞函數(shù)逆的 傳統(tǒng)解耦控制方法對(duì)于追求大飛行包線的現(xiàn)代飛行器而言不再適用，并且其系統(tǒng)內(nèi)部的狀 態(tài)可能是不穩(wěn)定的。此外，非線性動(dòng)態(tài)逆作為一種直觀的解耦控制方法在處理非線性系統(tǒng) 上得到了廣泛的應(yīng)用，該方法通過(guò)對(duì)消的方法設(shè)計(jì)期望的動(dòng)態(tài)，但是不具備魯棒性。因此， 必須配合設(shè)計(jì)外環(huán)控制器保證閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性，如J.Georgie,J.Valasek,"Evaluation oflongitudinaldesireddynamicsfordynamicinversioncontrolledgeneric reentryvehicles"，J.Guid.ControlDyn. 26(5) :811_ 819, 2003。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng) 的穩(wěn)態(tài)解耦，但是在系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)之前，外部擾動(dòng)會(huì)嚴(yán)重地破壞其解耦性能，并且該方法無(wú) 法在理論上給出嚴(yán)格的魯棒穩(wěn)定性證明。
[0003] 另一方面，為了追求更高的飛行速度及更大的飛行載荷，飛行器往往采用細(xì)長(zhǎng)的 機(jī)身構(gòu)型和較小的結(jié)構(gòu)重量，從而導(dǎo)致飛行器在飛行過(guò)程中發(fā)生彈性形變與振動(dòng)?，F(xiàn)有技 術(shù)中，將彈性模態(tài)定義為系統(tǒng)狀態(tài)變量，系統(tǒng)的維數(shù)將會(huì)隨著所考慮的彈性模態(tài)個(gè)數(shù)急劇 增加；或者將彈性效應(yīng)視為不確定性，使得基于精確對(duì)消的解耦控制方法不再適用?？梢姡?飛行器的彈性效應(yīng)必然會(huì)給解耦控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。
[0004]因此，本發(fā)明考慮具有參數(shù)不確定與外部擾動(dòng)的彈性體飛行器，充分利用其彈性 模態(tài)的特征信息（自然頻率和阻尼系數(shù)），提出了一種魯棒解耦控制方法，實(shí)現(xiàn)飛行器輸入 輸出的近似解耦以及對(duì)機(jī)身彈性動(dòng)態(tài)的改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有基于精確對(duì)消原理的解耦控制方法的魯棒性問(wèn)題，以及改善機(jī)身的彈 性動(dòng)態(tài)性能。本發(fā)明提出了一種彈性體飛行器的魯棒解耦控制方法，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0006] 步驟1，將輸入成型器設(shè)計(jì)為前饋系統(tǒng)，對(duì)指令信號(hào)V。和《。進(jìn)行預(yù)處理作為后續(xù) 反饋解f禹系統(tǒng)的輸入f目號(hào)，即^|二4 舖和6其中Lmulti= 為 卷積符號(hào)，n表示有n個(gè)彈性模態(tài)。
[0007] 步驟2,基于飛行器動(dòng)力學(xué)模型：
[0008] X= /(x) +g(x)u
[0009] n=^fiexn+Cfiex
[0010] 通過(guò)將飛行器系統(tǒng)的狀態(tài)變量X和輸入u分解為標(biāo)稱值與誤差之和的形式，經(jīng)過(guò) 變量代換得到對(duì)應(yīng)誤差系統(tǒng)：
[0011]
[0012]其中，JT=.[AF .Am:]，Sf .AM%可見，= 蠆〇，.其中，取V和《 為系統(tǒng)輸出，私和為系統(tǒng)輸入，即誤差系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性能保證原被控系統(tǒng)是輸入輸出 穩(wěn)態(tài)解親的。
[0013] 步驟3,平衡點(diǎn)(元ft) =(0 0)處線性化誤差系統(tǒng)，引入外部擾動(dòng)d，取被控輸出z具有 如下形式：
[0016] 基于魯棒H"理論以及H"控制中閉環(huán)極點(diǎn)區(qū)域配置方法，通過(guò)求解對(duì)應(yīng)的不等式 得到狀態(tài)反饋控制器ft，滿足如下性能：1)閉環(huán)系統(tǒng)是內(nèi)穩(wěn)定的；2)擾動(dòng)到被控輸出閉環(huán)傳 遞函數(shù)的11"范數(shù)小于指定的y值；3)極點(diǎn)配置到期望的區(qū)域內(nèi)?？梢?，閉環(huán)系統(tǒng)具有期 望的動(dòng)態(tài)過(guò)程，且當(dāng)外部擾動(dòng)為零時(shí)，系統(tǒng)是完全解耦的；受到外部擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)近 似解耦，并且近似解耦度可以通過(guò)適當(dāng)減小!1"性能指標(biāo)y來(lái)改善。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0018] (1)運(yùn)用魯棒11"理論實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)存在參數(shù)不確定和外部擾動(dòng)時(shí)的輸入輸出穩(wěn)態(tài) 解耦，解決了基于精確對(duì)消原理解耦方法的魯棒性問(wèn)題；
[0019] (2)存在外部擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸入輸出近似解耦，且該近似解耦度可以通過(guò)調(diào)整 H"性能指標(biāo)y值來(lái)改善；
[0020] (3)充分利用其彈性模態(tài)的特征信息，設(shè)計(jì)前饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈性模態(tài)殘余振動(dòng) 的抑制，并且不會(huì)影響后續(xù)閉環(huán)魯棒解耦系統(tǒng)的性能。
【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1是本發(fā)明一種彈性體飛行器的魯棒解耦控制方法的流程圖
[0022] 圖2是本發(fā)明一種彈性體飛行器的控制結(jié)構(gòu)圖
【具體實(shí)施方式】
[0023]參照?qǐng)D1，本發(fā)明一種彈性體飛行器的魯棒解耦控制方法【具體實(shí)施方式】如下：
[0024] 步驟1中，將輸入成型器設(shè)計(jì)為前饋系統(tǒng)，如圖2所示。根據(jù)公式（1)計(jì)算輸入成 型器中M個(gè)脈沖序列1^對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間tu和幅值I^
[0025]
(1：)
[0026] 其中：
I為阻尼因子，為自然頻率。進(jìn)而，將得到 的脈沖序列Q與指令信號(hào)V。和《。分別進(jìn)行卷積得到新的成型信號(hào)馬=松和 % =coQ * ，作為后續(xù)反饋系統(tǒng)的指令信號(hào)。
[0027]步驟2中，考慮如式（2)所示的彈性體飛行器的動(dòng)力學(xué)模型：
[0035]其中，u，v，w和《x，《y，〇^分別為飛行器線速度和角速度，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)jPMx，My，Mz 分別為由氣動(dòng)力和推力得到的力和力矩，Ixx，Iyy，Izz，Ixz為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m為飛行器質(zhì)量，g為 重力加速度，n i為第i個(gè)彈性模態(tài)，I jP w 別為對(duì)應(yīng)于第i個(gè)彈性模態(tài)的阻尼因子和 自然頻率。并且，化IVj有如下的表達(dá)形式：
[0036] 〇)x (〇eO\ \cos/I-1\3sinA),a)v ~ (OcrCr^-]cos/ -T?^sinX),巧zcosl…7、；sin夕）
[0037]Tn=cos也cosQ，T13=-sinQ，T21=cos也sinQsin-sin也cos
[0038]T23=cosQsin，T31=cos也sinQcos+sin也sin，T33=cosQcos
[0039] 可見，_"碼與地球自轉(zhuǎn)角速度《E，姿態(tài)角〇，Q，邊）和飛行器所在煒度入 有關(guān)。1^1"，1。，1。，11^，％為不確定參數(shù)，但其上下界已知。定義系統(tǒng)剛體狀態(tài)為1 1 = [u，v，w，《x，《y，=[V?]，系統(tǒng)彈性狀態(tài)為？7T =Dh，?)i，J72，H?y，系統(tǒng)控制輸入為 uT= [Fx，F(xiàn)v，F(xiàn)z，Mx，My，MJ = [F M]。得到被控系統(tǒng)（3)為：
[0040] x=f{x) +g(x)u
[0041] fl-Aftext}+：Cffea- (3)
[0042]其中，系統(tǒng)矩陣f(x)，g(x)和AfW Cflex的具體描述為：
[0046]其中，53=[巧％恥T= [T13 T23