一種基于h∞和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法
【專利摘要】一種基于H∞和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，步驟如下：(一)給定期望跟蹤值：期望姿態(tài)角θd,φd,ψd；期望速度ud,vd,wd；(二)姿態(tài)角跟蹤誤差計(jì)算：期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角的誤差θe,φe,ψe；期望角速度qd,pd,rd；(三)H∞抗擾動(dòng)控制器設(shè)計(jì)：計(jì)算反饋增益Kc；(四)計(jì)算消除期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角誤差的無(wú)限制控制量；(五)給定控制量限位：計(jì)算消除期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角誤差的飽和控制量sat(μ)；(六)模型修復(fù)抗飽和控制補(bǔ)償器設(shè)計(jì)：計(jì)算修正控制量及狀態(tài)量反饋?lái)?xiàng)vaw和yaw；(七)計(jì)算經(jīng)修正的H∞控制器輸入μc,aw和輸出yc,aw；最終將控制量用于平流層飛艇非線性模型。該方法能夠抑制外界擾動(dòng)影響、抗執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和，跟蹤任意期望姿態(tài)，保證閉環(huán)系統(tǒng)漸近穩(wěn)定，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。
【專利說(shuō)明】一種基于H c?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方
法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種基于H C?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，它為平流層飛艇提供一種抑制外界擾動(dòng)影響、抗執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和的跟蹤期望姿態(tài)的新控制方法，屬于自動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]平流層飛艇是一種依靠空氣浮力駐空，帶有推進(jìn)系統(tǒng)，不依賴機(jī)場(chǎng)或跑道可實(shí)現(xiàn)垂直起降、能懸停于任意地理位置上空，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多以巡航為主，可全天侯全天時(shí)連續(xù)工作的浮空器。然而，在平流層飛艇實(shí)現(xiàn)姿態(tài)跟蹤的過(guò)程中，當(dāng)平流層飛艇模型本身存在不確定性，或在平流層飛行時(shí)受到外界擾動(dòng)干擾時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；此外，由于平流層飛艇執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在限位設(shè)置，并且存在因長(zhǎng)時(shí)間駐空而引起的誤差積累，從而出現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和等問(wèn)題。
[0003]此發(fā)明“一種基于H c?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法”是把以上問(wèn)題作為切入點(diǎn)，而提出的有針對(duì)性、基于平流層飛艇線性化模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)、可使用于非線性平流層飛艇模型的平流層飛艇姿態(tài)跟蹤控制方法。該方法綜合了 H c?和模型修復(fù)抗飽和控制理論，可抑制外界擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，改善執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和問(wèn)題，保證閉環(huán)系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定性，為平流層飛艇的姿態(tài)跟蹤控制工程提供了一種高效可行的設(shè)計(jì)手段。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](I)目的:本發(fā)明的目的在于提供一種基于H c?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)跟蹤控制的方法，控制工程師可以在結(jié)合實(shí)際參數(shù)的同時(shí)，按照該方法實(shí)現(xiàn)平流層飛艇抗擾動(dòng)抗執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和問(wèn)題的姿態(tài)跟蹤控制。
[0005](2)技術(shù)方案:本發(fā)明“一種基于H c?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法”，其主要內(nèi)容及步驟是:先由給定的姿態(tài)角期望跟蹤值進(jìn)行誤差計(jì)算；然后根據(jù)姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制計(jì)算得到期望角速度；根據(jù)H c?和模型修復(fù)抗飽和理論計(jì)算控制器，隨后基于平流層飛艇的線性化動(dòng)力學(xué)方程得到控制量；最終將此控制量用于平流層飛艇非線性模型。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，飛艇的位置、姿態(tài)、速度等狀態(tài)量由組合慣導(dǎo)等傳感器測(cè)量得到，而由該方法計(jì)算得到的控制量將傳輸至舵機(jī)和推進(jìn)螺旋槳等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)平流層飛艇抗擾動(dòng)抗執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和問(wèn)題的平面姿態(tài)跟蹤控制功能。
[0006]本發(fā)明“一種基于H c?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇平面姿態(tài)控制方法”，其具體步驟如下:
[0007]步驟一給定期望跟蹤值:給定期望姿態(tài)角ed，!!/^給定期望速度叫，^，^。
[0008]步驟二姿態(tài)角跟蹤誤差計(jì)算:計(jì)算期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角之間的誤差9 e.Ve ;計(jì)算期望角速度qd，Pd，rd。
[0009]步驟三H 00抗擾動(dòng)控制器設(shè)計(jì):計(jì)算反饋增益K。。
[0010]步驟四計(jì)算消除期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角之間誤差所需的無(wú)限制控制量，即H m控制器輸出量y。。
[0011]步驟五飽和非線性環(huán)節(jié)給定控制量限位:計(jì)算消除期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角之間誤差所需的飽和控制量sat ( μ )。
[0012]步驟六模型修復(fù)抗飽和控制補(bǔ)償器設(shè)計(jì):計(jì)算修正控制量的反饋?lái)?xiàng)Vaw和修正狀態(tài)量的反饋?lái)?xiàng)yaw。
[0013]步驟七計(jì)算經(jīng)抗飽和控制補(bǔ)償器修正后的H c?控制器輸入μ。爿和H c?控制器輸出y。，吣最終將控制量用于平流層飛艇非線性模型。
[0014]其中，在步驟一中所述的給定期望姿態(tài)角包括:期望姿態(tài)角為T(mén)d= [ Θ d，
T，可以是時(shí)間或路徑的函數(shù)Td(t)，也可以是定值Td(C);所述的給定期望速度為Ud =[ud, Vd, Wd]T, Ud, Vd, Wd為期望速度沿艇體坐標(biāo)系的分解量。
[0015]其中，在步驟二中所述的姿態(tài)角跟蹤誤差Te = [ Θ e，φε，Ve]T，其計(jì)算方法如下:
[0016]Te= T-Td
[0017]所述的CJd= [pd，qd, rd]T為期望姿態(tài)角速度,其計(jì)算方法如下:
[0018]

【權(quán)利要求】
1.一種基于H C?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:其具體步驟如下: 步驟一給定期望跟蹤值:給定期望平面路徑；給定期望俯仰角Θ。、期望滾轉(zhuǎn)角φ。；給定期望速度； 步驟二導(dǎo)航計(jì)算:計(jì)算消除期望位置與實(shí)際位置之間的誤差所需的期望偏航角Ψ。; 步驟三姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制計(jì)算:計(jì)算消除期望姿態(tài)與實(shí)際姿態(tài)之間的誤差所需的期望角速度； 步驟四動(dòng)力學(xué)縱橫向分解:將動(dòng)力學(xué)方程和期望速度值按照縱橫向進(jìn)行分解； 步驟五縱向動(dòng)力學(xué)控制計(jì)算:計(jì)算消除期望縱向速度與實(shí)際縱向速度之間的誤差所需的控制量Ulm; 步驟六橫向動(dòng)力學(xué)控制計(jì)算:計(jì)算消除期望橫向速度與實(shí)際橫向速度之間的誤差所需的控制量Plat。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Hc?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟一中所述的給定期望姿態(tài)角包括:期望姿態(tài)角為T(mén)d =[0d, Φ,, Vd]T，可以是時(shí)間或路徑的函數(shù)Td(t)，也可以是定值Td(c);所述的給定期望速度為u d = [ud, Vd, Wd]T, Ud, Vd, Wd為期望速度沿艇體坐標(biāo)系的分解量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Hc?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟二中所述的姿態(tài)角跟蹤誤差Te= [θε，φ6, Ve]T，其計(jì)算方法如下: Te= T-Td 所述的《d= [pd，qd，rd]T為期望姿態(tài)角速度，其計(jì)算方法如下: 其中，kw> O為控制參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Hc?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟三中所述的反饋增益K。，其計(jì)算方法如下: 1)給出線性化平流層飛艇狀態(tài)方程
中，X = [U，V, W，P, q, r]T為狀態(tài)量，μ為輸入量，W0擾動(dòng)量，y為觀測(cè)輸出，z為可控輸出；xd = [ud, vd, wd, Pd, qd, rd]T 為期望狀態(tài)量，yd = C2xd+D21w0+D22 μ 為期望觀測(cè)輸出。 2)設(shè)計(jì)H00抗擾動(dòng)控制器,計(jì)算反饋增益K。 反饋增益K。的計(jì)算方法如下: 給定正數(shù)Y。> O，定義矩陣P = Pt > O，并求解如下矩陣Riccati方程
需要指出的是，H⑴控制器輸入量μ。為:
P c = y_yd°
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Hc?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟四中所述的消除期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角之間誤差所需的無(wú)限制控制量，即H c?控制器輸出量y。，其計(jì)算方法如下:
Yc = KcU co
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Hc?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟五中所述的飽和非線性環(huán)節(jié)給定控制量限位，計(jì)算消除期望姿態(tài)角與實(shí)際姿態(tài)角之間誤差所需的飽和控制量sat (μ )，其計(jì)算方法如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于HC?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟六中所述的模型修復(fù)抗飽和控制補(bǔ)償器，修正控制量的反饋?lái)?xiàng)Vaw和修正狀態(tài)量的反饋?lái)?xiàng)yaw，其計(jì)算方法步驟如下: 1)模型修復(fù)抗飽和控制補(bǔ)償器狀態(tài)方程為:
模型修復(fù)抗飽和控制補(bǔ)償器的輸入U(xiǎn) aw為:
μ aw = sat ( μ ) -yc 2)計(jì)算修正控制量的反饋?lái)?xiàng)Vaw和修正狀態(tài)量的反饋?lái)?xiàng)yaw，其計(jì)算方法步驟如下: I選擇對(duì)稱矩陣匕保證穩(wěn)定域-^^‘^^^/^^^選擇非負(fù)常數(shù)PvSO ;選擇常數(shù)V e [O, I)。 2定義自由變量矩陣Q = Qt > 0，U > 0，Y > 0，K，L，X1, X2，其中，X1與Y維數(shù)相同，K、X2與L維數(shù)相同。 3解線性矩陣不等式(LMI)優(yōu)化問(wèn)題，使得Y aw值最小，求出自由變量矩陣Q，U，Y，K，LjXijX2:

其中，Yi指矩陣Y的第i行，拓，…，i7--指飽和極限值。 根據(jù)優(yōu)化解方案計(jì)算出自由變量矩陣以及反饋量: K = (M2UH1Q-1
L = (Ι+Χ21)_1Χ2υ_1 修正控制量的反饋?lái)?xiàng):
vaw = (1-L) -1Kxaw+ (1-L) ^1L (sat ( μ ) -yc) 修正狀態(tài)量的反饋?lái)?xiàng):
Yaw — C2XaW+D22 (sat ( U ) _yc)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于H c?和模型修復(fù)抗飽和的平流層飛艇姿態(tài)控制方法，其特征在于:在步驟七中所述的經(jīng)抗飽和控制補(bǔ)償器修正后的H c?控制器輸入μ。爿和H c?控制器輸出y。，》，其計(jì)算方法如下:
Ii c,aw = Y+Yaw-Yd
yc,aw = yc+vaw 最終，y。^經(jīng)飽和非線性環(huán)節(jié)后得到的sat (μ)即為用于平流層飛艇非線性模型的控制量。
【文檔編號(hào)】G05D1/08GK104199457SQ201410482564
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年9月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月19日
【發(fā)明者】鄭澤偉, 閆柯瑜, 陳天, 余帥先, 劉麗莎 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)