本發(fā)明屬于飛行器控制技術領域，特別涉及了一種艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的設計方法和控制方法。

背景技術：

艦載機能否安全、精確地著艦是航空母艦/艦載機武器作戰(zhàn)系統(tǒng)的關鍵技術之一。而在艦載機自動著艦過程中，下滑道軌跡信息是提前已知的，為了提高艦載機著艦的安全性，運用已知的下滑道軌跡信息對艦載機自動著艦系統(tǒng)具有重要的工程價值。合理的預見時間能夠使艦載機快速提高跟蹤質量，有效地提高艦載機自動著艦的效率與安全性。

艦載機著艦一般采用下滑道軌跡跟蹤著艦。所謂下滑道軌跡跟蹤著艦(艦載機等角下滑)，是在進艦著艦的最后階段，艦載機截獲合適的下滑道軌跡后，一直保持相同的下滑軌跡角、俯仰角、速度和下沉率，直至艦載機與航母甲板碰撞，實現(xiàn)撞擊式著艦。由于艦尾氣流的影響，使得艦載機在著艦過程中速度會受到艦尾氣流的影響而改變。在飛機進場后，離艦最后約0.5英里(800米)時，會受到艦尾氣流的影響。如果考慮艦載機是勻速飛行，那么800米的距離，大約就是著艦前的12.5秒，也就是說艦載機在著艦階段的最后12.5秒會受到艦尾氣流的影響。根據(jù)艦尾氣流的影響，艦載機自動著艦全過程可以分為兩個階段，一是下滑道跟蹤階段，二是艦尾氣流抑制階段。在實際下滑過程中，傳統(tǒng)的PID控制器很難使艦載機完全跟蹤下滑道軌跡。而艦載機在下滑過程中所保持的下滑軌跡角、俯仰角、速度和下沉率均可作為可預見的信息，從而利用這些未來信息和過去、現(xiàn)在的信息對艦載機進行預見控制。

預見控制是利用已知的參考信息，來提高跟蹤質量。預見信息在控制系統(tǒng)中的作用，從頻域上看是相位超前補償，而從時域上看是提前產生補償作用。預見控制的一個主要應用領域是汽車駕駛模擬，即給無人駕駛車輛設計控制系統(tǒng)，另一個應用領域是主動懸掛系統(tǒng)，在這兩個方面已具有了顯著的效益。除此之外，在信息融合方面，預見控制也用有了新的發(fā)展，提出了信息融合的最優(yōu)預見控制。

對于人工著艦時的艦尾氣流擾動問題，最初的抑制方法是在著艦前的最后一段時間內加入抬頭指令信號，從而對下沉氣流的影響進行了補償。而實際中的尾流形態(tài)往往與設定的尾流形態(tài)不符，因此加入的開環(huán)指令信號不但不能達到補償效果，反而會造成飛機飛越攔阻索而無法正常著艦。所以，具有艦尾氣流擾動抑制能力的艦載機著艦引導系統(tǒng)的研究，一直被作為研究艦載機著艦引導系統(tǒng)的重要課題。針對艦尾氣流的干擾，采用魯棒控制方法。魯棒控制理論的實質是為多輸入多輸出(MIMO)且具有模型攝動的系統(tǒng)提供了一種頻域的魯棒控制器設計方法。魯棒控制理論很好地解決了常規(guī)頻域理論不適于MIMO系統(tǒng)設計及LQG(線性二次高斯)理論不適于模型攝動情況兩個難題,其計算復雜的缺點已因計算機技術的飛速發(fā)展及標準軟件開發(fā)工具箱的出現(xiàn)而得到克服，故近十年來已成為控制理論的一個熱點研究領域，并取得了大量的實際應用成果。魯棒控制理論所要研究的問題主要可分為兩個方面，即控制系統(tǒng)的魯棒性分析和控制律綜合。在分析方面研究的是：當系統(tǒng)存在不確定性及干擾時，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能的分析。在綜合方面研究的問題是：當系統(tǒng)存在不確定性和外部干擾時，如何設計有效的控制律使得閉環(huán)系統(tǒng)具有更強的魯棒性。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術提出的技術問題，本發(fā)明旨在提供一種艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的設計方法和控制方法，結合了魯棒控制器和預見控制器，提升艦載機著艦的安全性和精確度。

為了實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明的技術方案為：

基于魯棒預見控制的艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的設計方法，所述艦載機自動著艦控制系統(tǒng)采用魯棒預見控制器，采用魯棒控制器設計系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器，采用預見控制器設計系統(tǒng)的前饋控制器，設計方法如下：

(1)設艦載機系統(tǒng)：

x(k+1)＝Ax(k)+B₁w(k)+B₂u(k)

z(k)＝C₁x(k)+D₁₁w(k)+D₁₂u(k)

y(k)＝C₂x(k)

其中，x是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，u是控制輸入，w是外部擾動輸入，z是被調輸出，y是系統(tǒng)輸出，A，B₁，B₂，C₁，C₂，D₁₁和D₁₂是適維矩陣；

(2)導出艦載機系統(tǒng)的誤差系統(tǒng)：

其中，Δx是x的一階差分值，Δw是w的一階差分值，Δu是u的一階差分值，ΔRs是目標值Rs的一階差分值，目標值Rs為高度的偏量，I_m是適維的單位矩陣；

先設目標值Rs為零或定值信號，則上述誤差系統(tǒng)變?yōu)椋?/p>

X₀(k+1)＝ΦX₀(k)+G_wΔw(k)+G_uΔu(k)

其中，

(3)建立上述誤差系統(tǒng)的性能評價函數(shù)：

其中，Q是半正定權重矩陣，H是正定矩陣；

定義被調輸出信號：

于是，令

代入上述性能評價函數(shù)，得

(4)設系統(tǒng)的擾動衰減度γ＞0為常數(shù)，且使得所求的狀態(tài)反饋控制器滿足：

則，具有給定擾動衰減度γ＞0的魯棒狀態(tài)反饋控制律為：

Δu_F(k)＝F_kX₀(k)

其中，

S＝[0 I]，I是單位矩陣；

(5)再設目標值Rs不為零或定制信號，則前饋控制器的性能評價函數(shù)：

其中，M_R是目標值預見步數(shù)，M_w是干擾值預見步數(shù)；

(6)根據(jù)偏微分最優(yōu)化算法求得目標值前饋系數(shù)F_R(j)與干擾前饋系數(shù)：

其中，F(xiàn)_R(0)＝0，ξ＝Φ+G_uF_k；

(7)將魯棒狀態(tài)反饋控制和預見前饋控制結合起來，則系統(tǒng)響應的魯棒預見控制律：

本發(fā)明還包括基于上述艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的控制方法，步驟如下：

(a)艦載機開始著艦，進入下滑道軌跡跟蹤階段，此時艦載機自動著艦控制系統(tǒng)采用上述的魯棒預見控制器，控制艦載機的運動；

(b)直至艦載機著艦前t_f秒時，進入艦尾氣流抑制階段，此時在艦載機自動著艦控制系統(tǒng)中加入艦尾氣流的干擾，控制艦載機的運動，直到艦載機成功著艦。

進一步地，在步驟(a)中，艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸入信號包括預定下滑道高度指令、飛行高度反饋值、俯仰角反饋值、俯仰角速率反饋值、迎角反饋值、飛行速度反饋值、側滑角反饋值、滾轉角反饋值、偏航角反饋值、滾轉角速率反饋值、偏航角速率反饋值和橫側向偏距；艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸出信號包括升降舵偏角、油門開度、副翼偏角和方向舵偏角。

進一步地，在步驟(b)中，t_f的取值為12.5。

進一步地，在步驟(b)中，艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸入信號包括預定下滑道高度指令、飛行高度反饋值、俯仰角反饋值、俯仰角速率反饋值、迎角反饋值、飛行速度反饋值、側滑角反饋值、滾轉角反饋值、偏航角反饋值、滾轉角速率反饋值、偏航角速率反饋值、橫側向偏距和艦尾氣流，所述艦尾氣流包括水平尾流、橫向尾流和垂直尾流；艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸出信號包括升降舵偏角、油門開度、副翼偏角和方向舵偏角。

采用上述技術方案帶來的有益效果：

(1)本發(fā)明結合了魯棒控制器和預見控制器，預見控制器可以使艦載機更好地跟蹤理想下滑道，使得著艦更加準確，同時魯棒控制器可以更好地抑制艦尾氣流的干擾，使得艦載機更加安全地著艦；

(2)傳統(tǒng)艦載機自動著艦控制系統(tǒng)需要在縱向上設計三個控制器，在橫側向上設計三個控制器，說明需要十八個參數(shù)的調節(jié)，工作量很大，而本發(fā)明只需要兩個控制器，大大減少參數(shù)的調節(jié)過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明控制方法的流程圖；

圖2是仿真實驗中實際高度下滑軌跡和理想高度下滑軌跡曲線圖；

圖3是仿真實驗中實際高度與理想高度之間的偏差曲線圖；

圖4是仿真實驗中實際軌跡與理想軌跡的橫側向偏距曲線圖。

具體實施方式

以下將結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明。

常規(guī)的自動著艦縱向控制器包括俯仰姿態(tài)控制器、動力補償控制器和高度控制器。為了使艦載機沿著甲板中心線飛行，實現(xiàn)側偏為零，所以要進行橫側向控制的設計。艦載機自動著艦橫側向控制系統(tǒng)主要由滾轉姿態(tài)控制器、航向控制器和側向偏離控制器組成。本發(fā)明提出的基于魯棒預見控制的艦載機自動著艦控制系統(tǒng)，只需要設計兩個控制器即可，即魯棒預見縱向控制器和魯棒預見橫側向控制器。預見控制器可以使艦載機更好地跟蹤理想下滑道，使得著艦更加準確。而魯棒控制器可以更好地抑制艦尾氣流的干擾，使得艦載機更加安全地著艦。由于縱向控制器和橫側向控制器的設計方法是一樣的，故在接下來的控制器設計過程中，用相同的符號表示。

(一)魯棒控制器的設計

艦載機狀態(tài)空間描述的離散系統(tǒng)

x(k+1)＝Ax(k)+B₁w(k)+B₂u(k)

z(k)＝C₁x(k)+D₁₁w(k)+D₁₂u(k)

y(k)＝C₂x(k)

其中x是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，u是控制輸入，w是外部擾動輸入，z是被調輸出，y是輸出，A，B₁，B₂，C₁，C₂，D₁₁和D₁₂是適當維數(shù)的矩陣。在魯棒控制器設計之前，需要有如下的假設：(A,B₂)是穩(wěn)定的，且

對給定的常數(shù)γ₁＞0，設計一個線性定常狀態(tài)反饋控制律：

u₁(k)＝F₁x(k)

其中F₁是一個常數(shù)矩陣，使得

(1)閉環(huán)系統(tǒng)矩陣A_k＝A+B₂F是穩(wěn)定的

(2)從外部輸入w到被調輸出z的閉環(huán)傳遞函數(shù)||T_zw(z)||_∞＜γ₁。

具有這樣性質的控制律稱為是系統(tǒng)具有擾動衰減度γ₁的一個魯棒狀態(tài)反饋控制律。稱這樣一個問題是離散時間系統(tǒng)的一個標準魯棒狀態(tài)反饋問題。

設γ₁＞0是任意給定的常數(shù)，則u₁(k)＝F₁x(k)是系統(tǒng)具有給定擾動衰減度γ₁＞0的一個魯棒狀態(tài)反饋控制律，當且僅當存在一個矩陣L，使得

其中S＝[0I]，

矩陣P₁是以下矩陣方程的一個對稱半正定解：

(二)預見控制器的設計

考慮艦載機是以下的系統(tǒng)

x(k+1)＝Ax(k)+B₁w(k)+B₂u(k)

y(k)＝C₂x(k)

其中x,w,u,y,A,B₁,B₂和魯棒控制器中的相關參數(shù)是相同的。

在定義一個誤差信號

e(k)＝Rs(k)-y(k)

其中Rs是目標值。

將誤差信號和艦載機的狀態(tài)變量重新組合，得到如下的誤差系統(tǒng)

或者表示為

X₀(k+1)＝ΦX₀(k)+G_wΔw(k)+G_uΔu(k)+G_RΔRs(k+1)

若原系統(tǒng)可控且z＝1不是其不變零點，則誤差系統(tǒng)可控；若原系統(tǒng)可觀測，則誤差系統(tǒng)可觀測。下面設誤差系統(tǒng)可控可觀測。

對于誤差系統(tǒng)，假設已知其從現(xiàn)在時刻開始直到未來M_R的目標值以及從現(xiàn)在時刻開始直到未來M_w的干擾值，定義評價函數(shù)為如下包含誤差項和和輸入項的二次型：

其中Q₂是半正定矩陣；Q_e和H₂是正定矩陣。

依據(jù)偏微分最優(yōu)化方法，得到預見控制律為

其中

ξ＝Φ+G_uF₀

(三)魯棒預見控制器的設計

綜合上面兩種控制器的設計方法，找到兩種方法的結合點，不難發(fā)現(xiàn)，用魯棒控制器設計狀態(tài)反饋控制器，而用預見控制器設計前饋控制器，這樣既可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，又可以提高系統(tǒng)的精度。

設艦載機系統(tǒng)為

x(k+1)＝Ax(k)+B₁w(k)+B₂u(k)

z(k)＝C₁x(k)+D₁₁w(k)+D₁₂u(k)

y(k)＝C₂x(k)

對于這樣的系統(tǒng)，控制的要求如下：

(1)系統(tǒng)的輸出能漸近跟蹤目標軌跡Rs；

(2)系統(tǒng)具有一定的魯棒性；

(3)系統(tǒng)具有較強的擾動抑制能力。

首先導出系統(tǒng)的誤差系統(tǒng)：

其中，Δx是狀態(tài)變量的一階差分值，Δw是干擾的一階差分值，Δu是控制輸入的一階差分值，ΔRs是目標值的一階差分值。

先假設目標值為零或定值信號，那么誤差系統(tǒng)就變?yōu)椋?/p>

或者表示為X₀(k+1)＝ΦX₀(k)+G_wΔw(k)+G_uΔu(k)。

由于魯棒控制器的性能指標是γ₁，而預見控制器的性能指標是J₂，為了使兩者性能指標相同，故設上述誤差系統(tǒng)的性能評價函數(shù)為

其中Q是半正定權重矩陣，H是正定矩陣。

定義被調輸出信號

于是，令

則有

若系統(tǒng)的干擾抑制指標γ＞0為常數(shù)，且使得所求的控制器滿足

的γ成立。

對于系統(tǒng)，具有給定擾動衰減度γ＞0的一個魯棒狀態(tài)反饋控制律為：

Δu_F(k)＝F_kX₀(k)

其中

S＝[0 I],

上面假定的是目標值(跟蹤輸出)為零或定值信號的情況，現(xiàn)在考慮目標值不為零或定制信號的情況，只需要加一個前饋信號就可以了。設預見前饋控制器的評價函數(shù)為：

根據(jù)偏微分最優(yōu)化算法求得目標值前饋系數(shù)與干擾前饋系數(shù)：

ξ＝Φ+G_uF_k

將魯棒狀態(tài)反饋控制輸入和預見前饋控制輸入結合起來，則系統(tǒng)響應的魯棒預見控制輸入：

其中，M_R是目標值預見步數(shù)，M_w是干擾值預見步數(shù)。

基于上述艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的控制方法，如圖1所示，步驟如下：

步驟1：艦載機開始著艦，進入下滑道軌跡跟蹤階段，此時艦載機自動著艦控制系統(tǒng)采用上述的魯棒預見控制器，控制艦載機的運動。

在下滑道軌跡跟蹤階段，艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸入信號包括預定下滑道高度指令、飛行高度反饋值、俯仰角反饋值、俯仰角速率反饋值、迎角反饋值、飛行速度反饋值、側滑角反饋值、滾轉角反饋值、偏航角反饋值、滾轉角速率反饋值、偏航角速率反饋值和橫側向偏距；艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸出信號包括升降舵偏角、油門開度、副翼偏角和方向舵偏角。

步驟2：直至艦載機著艦前t_f秒(12.5秒)時，進入艦尾氣流抑制階段，此時在艦載機自動著艦控制系統(tǒng)中加入艦尾氣流的干擾，控制艦載機的運動，直到艦載機成功著艦。

在艦尾氣流抑制階段，艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸入信號包括預定下滑道高度指令、飛行高度反饋值、俯仰角反饋值、俯仰角速率反饋值、迎角反饋值、飛行速度反饋值、側滑角反饋值、滾轉角反饋值、偏航角反饋值、滾轉角速率反饋值、偏航角速率反饋值、橫側向偏距和艦尾氣流，所述艦尾氣流包括水平尾流、橫向尾流和垂直尾流；艦載機自動著艦控制系統(tǒng)的輸出信號包括升降舵偏角、油門開度、副翼偏角和方向舵偏角。

為了驗證本發(fā)明在艦載機自動著艦控制上的有效性，進行如下仿真。仿真工具采用MATLAB軟件，分析艦載機動力學模型，并采用F/A-18的相關參數(shù)，航母對象采用“尼米茲”號航母，仿真實驗中采用下滑道跟蹤著艦，下滑道跟蹤時間應該為56.3s，下滑道的傾斜角為3.5°，艦載機的初速度V₀為70m/s，初始高度為231.7m(理想的初始高度為240.7m)，初始側偏距為1m，采樣時間為0.1s，預見步數(shù)為12，三級海況。

圖2是實際高度下滑軌跡和理想高度下滑軌跡曲線圖，圖3是實際高度與理想高度之間的偏差曲線圖，圖4是實際軌跡與理想軌跡的橫側向偏距曲線圖。由圖中可以看出，艦載機的跟蹤效果良好。在著艦前12.5s將艦尾氣流加入艦載機自動著艦系統(tǒng)中，基于魯棒預見控制的艦載機自動著艦系統(tǒng)響應速度很快，跟蹤效果很好，具有很強的抑制干擾的能力。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內。