[发明专利]一种平流层飞艇的制导控制一体化及控制分配方法

说明书

技术领域

本发明提供一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法，针对平流层飞艇的飞行特点，设计一种制导控制一体化及控制分配的方法，为过驱动平流层飞艇提供一种跟踪平面路径并且在出现允许故障时仍然保证完成飞行指令的新控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

传统的飞行控制系统设计通常分解为制导环节和姿态控制环节，并对这两个环节分别进行设计。但实际上制导环节和姿态控制环节并不相互独立，因此对制导和姿态控制的整体系统进行控制设计可以提高最终制导品质。通常将在反馈控制设计中使用了姿态、过载和视线角速度等综合信息以提高最终制导品质的方法称为制导控制一体化设计方法(简称一体化)。

一体化设计方法在20世纪80年代提出。目前，国内外很多学者已进行了大量的研究工作。现有文献中一体化设计所采用模型主要可分为相对位置模型和视线角模型。本发明“一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法”，提出了基于平流层飞艇动力学非线性模型的平面路径跟踪控制方法。该方法综合了基于导航的路径跟踪算法和轨迹线性化理论。由该方法控制的闭环系统是渐近稳定的，并且不存在控制奇异点，这就为自治飞艇的巡航飞行工程实现提供了有效的设计手段。

平流层飞艇作为一种新型信息平台，具有滞空时间长、使用成本低、侦察视野宽、无线通信及时准备等显著优点，可以用来进行长时间、高精度地对地观测、通信中继、区域检测等，具有广阔的军事和民用前景。平流层飞艇一般使用多种操纵机构进行飞行控制，多种操纵机构需要同时协调作用，这对其飞行控制协调的设计带来巨大挑战，因此平流层飞艇的控制分配问题逐渐受到重视。因此本文针对可提高飞艇飞行安全性，操纵性和可靠性的过驱动模型的控制分配问题。本文为保证工程实用性，采用了考虑优化问题和广义逆算法的控制分配方法，确保当执行器出现舵面漂浮卡死等意外故障时，仍可有效保证各分配指令到达各个执行机构。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法，控制工程师可以按照该方法并结合实际参数实现自治飞艇的巡航飞行。

(2)技术方案：本发明“一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法”，可以分解为基于一体化设计方法的上层控制律设计和下层控制分配算法设计两部分，分层结构设计可以简化控制系统，避免不必要的耦合问题。其主要内容及程序是：先根据控制目标定义每部分的跟踪误差，然后对误差连续求导至方程中显式出现控制量。通过设计控制律使跟踪误差收敛到零，并以此解出各部分控制应当满足的方程，最后综合所有方程计算实际的控制量。选取平面位置，速度，俯仰角，滚转角，和高度五个控制目标。依据上述准则进行控制律设计求解，得到上层虚拟控制量；下层控制分配先确定系统权值矩阵，根据优化准则求解实际控制量，最终得到各个执行机构最终控制量。实际应用中，飞艇的位置、姿态、速度等状态量由组合惯导等传感器测量得到，将由该方法计算得到的控制量传输至舵机和推进螺旋桨等执行装置即可实现平流层飞艇对平面路径的跟踪功能。

本发明“一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法”，其具体步骤如下：

步骤一建立平流层飞艇数学模型：动力学模型和运动学模型；

步骤二给定期望平面路径；计算位置跟踪误差；设计控制律；

步骤三给定期望速度跟踪值；计算速度误差；设计速度控制律；

步骤四给定期望俯仰角；计算俯仰角跟踪误差；设计俯仰姿态控制律；

步骤五给定期望滚转角；计算滚转角跟踪误差；设计滚转姿态控制律；

步骤六给定期望高度；计算高度跟踪误差；设计高度控制律；

步骤七综合求解步骤二至步骤六，求得系统上层控制律；

步骤八建立下层控制分配的优化准则；

步骤九确定权重矩阵；

步骤十求解控制分配的方程组，输出各执行器的实际控制量。

其中，在步骤一中所述的建立平流层飞艇数学模型方法如下：

1)平流层飞艇运动学方程表示如下：

其中，，均为状态方程的状态向量；其中为飞艇质心在地面坐标系下的位置坐标，分别为滚转角，俯仰角和偏航角；为艇体坐标系下原点的速度矢量在艇体坐标系下的投影，为艇体坐标系下飞艇角速度矢量在艇体坐标系下的投影；是非线性动态函数；

2)平流层飞艇动力学方程表示如下：

其中，是关于变量的非线性动态函数，是非线性控制分配函数；为平流层飞艇控制输入量矩阵。