[发明专利]一种基于显式非线性模型预测控制的舰载机自主着舰方法

说明书

一种基于显式非线性模型预测控制的舰载机自主着舰方法，包括如下几个步骤：步骤一：由飞机所处的飞行情况简化纵向运动非线性方程；步骤二：确定控制量和被控量；步骤三：确定每个输出量的相对阶数；步骤四：K是由Ki组成的对角阵，由矩阵的第一行求得Ki的值。步骤五：对指令信号yDi进行泰勒展开，得到指令信号的各阶导函数；步骤六：进行积分即可得到控制量。步骤七：得到了一种基于显式非线性模型预测控制的舰载机自主着舰纵向控制律。本发明可实现舰载机自主对于指令信号的快速跟踪，并且避免在线优化过程，节约了大量时间，节省了硬件资源。显式非线性模型预测控制也可以广泛应用于机器人、航空、航天、工业生产等涉及非线性控制的领域。

【技术领域】

本发明是一种基于显式非线性模型预测控制的舰载机自主着舰方法，属于航空航天控制领域。

【背景技术】

舰载机着舰引导技术是舰载机在较差的海况、甲板运动、大气紊流、舰尾流、夜间或者低能见度下能安全、精准着陆的保障，是航母舰面系统关键技术之一。由于驾驶员对于飞机的熟练度、飞行时间不同引起的差异，着舰时天气、云层、海况、能见度的不同，人工着舰会受到很多因素的影响，为了解决这些问题，产生了自动着舰系统(Automatic CarrierLanding System,ACLS)，一种基于显式非线性模型预测控制的舰载机自主着舰方法能较好的解决着舰时ACLS中指令输入问题，能在干扰下实现较高的着舰精度和在着舰过程中满足较高的指标要求。

模型预测控制可以实现对被控对象的精确控制，但有些模型预测控制依赖在线的优化过程，比较耗时。对于有些线性模型预测控制问题来说，可以求取其最优控制的显式解，但对于非线性问题，求取显式解比较困难。显示非线性模型预测控制(ExplicitNonlinear Model Predictive Control，ENMPC)应用泰勒展开原理，可以求取非线性模型预测控制的显式解，避免在线优化过程。本发明将ENMPC应用在舰载机自主着舰的控制问题中，在控制过程中，求出指令信号的导函数信息，即可实现舰载机自主对姿态和速度指令的快速准确跟踪。

ENMPC方法应用在舰载机自主着舰过程的控制中。推导ENMPC控制律时需要大量的计算，而舰载机六自由度运动方程比较复杂，给控制律的推导带来很大麻烦。由于舰载机着舰时的主要运动为纵向的运动，横侧向运动幅度相对较小，因此相对纵向状态量而言，横侧向状态量的变化不太大。针对这一特点，本发明将舰载机纵向控制器和横侧向控制器分开来设计，在设计纵向控制器时，将横侧向状态量近似为零，在设计横侧向控制器时，将纵向状态量当做已知量，这样就简化了控制器的设计，降低了设计难度。由于横侧向运动滚转和偏航是耦合的，运动方程比纵向运动方程复杂得多，为了叙述简单，本发明只叙述纵向控制律的设计过程，显示非线性模型预测控制方法可以通过同样的方法应用于舰载机的横侧向控制律设计。

显式非线性模型预测控制方法对系统定义了相对阶数和控制阶数。

考虑下面的一般非线性系统，系统输入为N维，系统输出为P维。

其中，u为系统输入，x为系统状态变量，y为系统输出