[发明专利]一种基于矢量场制导和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法

说明书

一种基于矢量场制导和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法，步骤如下：1.建立平流层飞艇的动力学模型；2.建立虚拟控制量和执行机构之间关系的状态方程；3.设计上层控制器，利用滑模控制器和前向速度控制器来得到虚拟控制量τ；4.根据执行机构的布局建立虚拟控制量和实际控制量之间的等式关系，在考虑执行机构物理限制的情况下，得到近似的加权最小二乘法公式；5.利用拉格朗日函数和鞍点定理把加权最小二乘法公式简化成一个关于实际控制量的分段函数；6.利用递归神经网络求解分段函数得到实际控制量。控制流程见附图。

技术领域

本发明提供一种基于矢量场制导和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法，它提出一种新型控制分配器与路径跟踪控制器结合的方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

临近空间飞行器是一种能够穿梭在平流层并且执行特定任务的飞行器。在所有的临近空间飞行器当中，平流层飞艇因其应用价值近年来吸引了广泛的关注。平流层飞艇作为一种新型的飞行平台，具有极大的发展潜力。本方法的控制对象为采用矢量推进装置的平流层飞艇，如图1所示。其中BRF为艇体坐标系，ERF为地面坐标系，飞艇推力系统为两个安装在艇体坐标系Oxyz内Oxz平面的可以绕Oz轴转动的矢量螺旋桨组成，推力大小和矢量转角均可以调节。前螺旋桨提供拉力，后螺旋桨提供推力。平流层飞艇与普通的飞艇相比，其活动空间高度远远超过了一般的航空器。在距离地面约20km的平流层当中，由于气流相对比较稳定，没有竖直方向的对流，相较于其他飞行器而言，平流层浮空器的控制更具有应用价值。

平流层飞艇研制的关键技术材料、结构、能源、控制等许多领域，在这些关键技术中，自主控制系统的开发是至关重要的。目前大多数控制方法都能够完成平流层飞艇在期望路径上的巡航，改变姿态和航向，但是不能保证飞艇的长航时运行。本方法中采用了矢量场制导和控制分配结合的控制方法，与传统控制器设计理念不同。采用路径跟踪控制器和控制分配器分开设计的形式，可以在不改变复杂的飞行控制律的情况下来实现力和力矩在每个执行机构上的分配。

本发明“一种基于矢量场和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法”，提出了一种结合矢量场和控制分配的新型路径跟踪控制系统，整个控制系统由上下两层控制器组成，上层路径跟踪控制器解算出虚拟飞行控制律，其中包括矢量场制导指引飞艇向期望路径，滑模控制器减少路径跟踪误差到一个可接受的范围内以及前向速度控制器来维持平流层飞艇一个稳定的前向速度。下层控制分配器将虚拟控制律最优地分配到各个执行机构得到实际的飞行控制律。该方法减小了路径跟踪控制系统操作的复杂性，将载荷最优的分配到执行机构上，实现平流层飞艇高空长航时飞行。在执行机构出现故障时，不需要进行上层控制律的重构，就可以将故障重新分配。由该方法控制的闭环系统是有界稳定的，具有良好的收敛效果，这就为平流层飞艇长航时飞行工程的实现提供了有效的设计手段。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于矢量场制导和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法，控制工程师可以按照该方法并结合实际参数实现平流层飞艇的高空长航时飞行。

(2)技术方案：本发明“一种基于矢量场制导和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法”，其主要内容及程序是：

平流层飞艇高空巡航的路径都可以近似分解为参数化的直线和圆弧。上层控制器由矢量场制导，滑模控制器和前向速度控制器组成，下层控制分配器由最小二乘法和递归神经网络组成。由上层控制器解算出虚拟控制量即广义力和广义力矩，再通过控制分配器按照最优化的方式分配到各个执行机构上，解算得到执行机构所需的偏转角和姿态角，完成飞艇执行机构的控制。

本发明“一种基于矢量场制导和最小二乘法的平流层飞艇控制分配方法”，其具体步骤如下：

步骤一建立平流层飞艇的动力学模型：简化平流层飞艇的结构，得到虚拟控制量和飞艇飞行状态之间的相互关系的状态方程。

步骤二建立虚拟控制量和执行机构的关系：通过分析平流层飞艇的受力情况，得到虚拟控制量τ和执行机构之间的关系。