[发明专利]用于飞行控制律设计调参的无人机对象模型建模方法

说明书

技术领域

本发明属于无人机飞行控制领域，具体的说，是一种基于Matlab/Simulink环境下用于飞行控制律设计调参的无人机对象模型建模方法。

背景技术

飞机的气动导数随马赫数、高度或动压的改变而发生显著的变化，因此，飞机的动力学模型也会随着飞行的状态的改变而产生大幅度的摄动。飞控系统设计的难点在于如何能找到能够适应其被控对象—飞机的动力学模型变化的控制律，以保证在整个飞行包线内，飞机的飞行性能均能满足飞行品质指标的要求。

在控制对象的参数发生变化或存在未建模动态的前提下，获得尽可能好的系统性能是大多数控制设计问题所面临的挑战。对于这类控制问题，要以一个固定参数的控制器来同时获得系统动态性能、稳定性和鲁棒性几乎是不可能的。系统性能的提高往往是以牺牲鲁棒性为代价的，反之，鲁棒性的提高也以牺牲系统性能为代价。这种现象在系统运行过程中，当对象参数变化剧烈时，表现尤为突出。由于飞机的小扰动线性化模型的许多参数取值决定于一系列事先未知的物理量，主要有马赫数、飞行高度等，致使飞机的动态性能在大包线范围内有很大变化，因而，飞行控制器不得不采用一种在飞行过程中也会发生变化的控制器。设计变化控制器的一个典型方案就是在整个工作区域根据不同平衡工作点分别设计控制器，并利用某种类型的插值或拟合来获取全局控制器。   

MATLAB是由美国MathWorks公司推出的一款科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和强大的数据可视化功能集成在一起，提供了大量的内置函数，广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中。

本发明中所涉及的各种功能模块就是利用MATLAB软件提供的基础模块和函数结合自己用MATLAB编程语言写的程序代码搭建而成的。

发明内容

本发明的目的是提出一种无人机对象模型建模方法，用于无人机飞行控制律结构和控制参数调节及非实时数字仿真，改进后可用于实时半物理仿真。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种用于飞行控制律设计调参的无人机对象模型建模方法，其特征在于包括如下步骤：构建一个含有风干扰模型、大气环境模型、地球重力环境模型的环境变量模块、一个含有计算发动机推力和耗油率模型部件的发动机模块、一个相连发动机模块并能根据耗油率和重心随质量变化数据计算飞机质量和重心位置的质量计算模块、一个舵机模块包括副翼、升降舵、方向舵及减速板舵机模型的舵机模块、一个含有根据飞机位置信号、姿态信号、起落架相对位置关系，计算前轮偏转角、刹车输入和机轮速度、支撑力和起落架机轮相对跑道位置关系模型部件的起落架力和力矩模块、一个含有导航计算、控制逻辑、各种控制器和控制选择模型部件的飞行/滑跑控制系统模块、一个含有根据飞机气动数据计算各种气动力和力矩模型部件的气动系数模块、一个相连上述气动系数模块，并含有计算机体坐标轴系，各轴向线加速度和角加速度，产生飞机各种速度、位置、角速度、姿态信号模型部件的六自由度飞机模型本体模块，一个通过上述飞行/滑跑控制系统模块在仿真过程中施加控制指令的控制台模块和向上述各模块传送各种信号、刹车指令、油门指令、计算各种操纵舵面输出指令的传感器模块；其中，控制台模块在可在仿真过程中对飞行/滑跑控制系统模块输入控制指令，气动系数模块从环境变量模块获取大气环境信息，把计算出的飞机力和力矩传送至六自由度飞机模型本体模块，计算飞机当前加速度、速度、角速度、姿态、位置、状态变量，经传感器模块传递至飞行/滑跑控制系统模块进行控制指令计算，控制指令分别通过起落架力和力矩模块、舵机模块、发动机模块、质量计算模块计算出舵偏指令、发动机推力、飞机质量、机轮摩擦力和力矩，送入气动系数模块进行下一拍飞机力和力矩的计算，上述状态变量经环境变量模块计算飞机实时位置的大气环境信息，飞机的状态信息以及控制指令都通过示波器模块实时现实本发明的有益效果在于，在全包线控制律调参设计时，避免了对包线内各设计点逐一建立线性化模型的巨大工作量，尤其是对无人机爬升段、下降段采用完全一致的仿真模型，减少了建模的工作量，提高建模工作效率。在建模调参完成后，可以直接利用本工具箱进行非线性数字仿真验证控制参数。并且本发明在更换气动等飞机数据后可用于其他机型的控制律调参设计。