[发明专利]一种弹性体飞行器自适应受限跟踪控制间接法

说明书

技术领域

本发明涉及一种弹性体飞行器自适应受限跟踪控制间接法，主要应用于具有输入和状态饱和限制的弹性体飞行器的速度和高度跟踪控制以及弹性模态动态响应的改善，属于飞行器控制技术领域。

背景技术

现代飞行器飞行速度高、飞行包线广、机动性强等，使得它具有常规飞行器所不具备的各种优势。由于其普遍采用了发动机/机身一体化技术，导致发动机的工作状态与飞行器的飞行状态相互影响，于是必须限制飞行器的某些飞行参数(如迎角、马赫数、动压、温度分布、弹性形变量等)的范围使得推进系统工作在最佳状态。其次，飞行器的执行机构都会受到物理因素的约束，为避免执行机构因为环境变化(稠密大气到稀薄大气环境)造成饱和失效，有必要将输入受限包含在控制器设计过程中。现有技术中，低增益控制方法能够避免饱和现象，但是当系统趋于稳态时控制信号会远小于其最大容许值，导致控制器容许的控制能力没有被充分利用，闭环系统无法获得最佳性能；将饱和非线性建模为一些简单的非线性函数或者建模成系统中的不确定性结构，再应用相应的鲁棒非线性工具进行分析设计，该方法使得问题的处理大大简化，但会增加对输入饱和系统处理的保守性。因此，期望通过间接地设计抗饱和补偿器，来尽可能的减少甚至消除饱和现象给系统带来的负面影响。

另一方面，追求更高的升阻比，飞行器广泛采用轻质材料和大型薄壁结构设计，气动布局一般采用为细长乘波体，其特殊的结构材料和气动布局将带来气动弹性新问题。研究表明，飞行器颤振是一种极具破坏性的气动弹性不稳定现象，剧烈的颤振将会对飞行器壁板结构的疲劳寿命和飞行性能产生十分不利的影响，甚至导致飞行器在短时间内解体破坏。现有技术中，将弹性模态定义为系统状态变量进行控制，或者将弹性效应视为不确定性来处理，均没有充分利用弹性模态的特征信息来改善弹性动态过程。因此，有必要对飞行器气动弹性模态开展进一步地分析和研究，确保气动弹性模态稳定且弹性振动和形变量足够小。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对具有参数不确定，外部扰动，输入饱和限制，以及弹性振动的飞行器模型，提供一种自适应受限跟踪控制间接法，从而实现对速度高度指令信号的跟踪控制和对弹性振动的抑制。

本发明的技术解决方案是：一种弹性体飞行器自适应受限跟踪控制间接法，通过以下步骤实现：

第一步，基于输入成型技术设计前馈系统，根据弹性模态的特征参数(阻尼因子和自然频率)计算成型器脉冲序列，并且与被跟踪指令信号进行卷积得到新的成型信号。考虑其鲁棒性，采用ZVD(zerovibrationandderivative)成型器；

第二步，通过将弹性模态的影响视为弹性扰动，结合模型不确定参数和外部扰动，建立被控系统。通过引入指令滤波器和设计辅助系统来反映对标称控制率的饱和限制效果，对速度子系统和高度子系统分别设计受限自适应控制器与参数更新率，从而得到稳定的闭环系统，并且实现对第一步得到的成型信号的跟踪；第三步，分析弹性子系统假设矩阵A_flex稳定，第二步中得到的受限自适应控制器确保了C_flex有界，于是弹性动态是最终有界的，并且该边界可以通过设计足够小的速度、攻角、升降舵和鸭翼偏转角而减小；同时，输入成型器作为前馈环节，不仅能够减小弹性模态的残余振动，并且不会破坏反馈系统的跟踪控制效果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用指令滤波器环节，来模拟飞行器控制器设计中执行机构和虚拟控制量的幅值及速率的饱和限制；同时还可以避免在反步法中多次求解虚拟控制量导数解析表达式的复杂计算过程；

(2)通过引入辅助系统来间接处理输入饱和限制的影响，并且该辅助系统的状态被用来设计受限自适应跟踪控制率；

(3)运用所给出的控制方法，设计合适的控制器参数，不仅能够保证闭环系统所有状态一致最终有界以及对指令信号的有效跟踪，同时也能实现对弹性模态的形变和振动在一定程度上的抑制和改善。

附图说明

图1是本发明一种弹性体飞行器自适应受限跟踪控制间接法的流程图

图2是总体控制结构图

图3是总体控制结构图中虚线所示的反馈控制环节

图4是带有幅值、速率限制的指令滤波器

具体实施方式

参照图1，本发明一种弹性体飞行器自适应受限跟踪控制间接法具体实施方式包括以下具体步骤：