[发明专利]基于动态控制面的高超音速时滞补偿的控制器的设计方法

说明书

基于动态控制面的高超音速时滞补偿的控制器的设计方法，针对作动器有时滞的高超声速飞行器姿态运动系统方程式，当利用DSC方法对其设计跟踪控制器式时，系统是毕竟稳定的，即AHV能够跟踪给定的指令至一个任意小的误差范围，并且角速率信号有界。本发明提供基于动态控制面的高超音速时滞补偿的控制器的设计方法，本申请将信号传输及作动器动态引起的时滞效果抽象为纯粹的输入含时滞。为了处理这种输入含时滞的非线性系统问题，采用含补偿器控制方法。在DSC的基础上，与时滞补偿相结合就得到了相应输入含时滞的高超声速飞行器气流姿态角控制方法。

技术领域

本发明涉及飞行器控制器领域，特别是涉及基于动态控制面的高超音速时滞补偿的控制器的设计方法。

背景技术

高超声速飞行器具有强非线性、快时变性、强耦合等特性，为了实现对其飞行的有效控制，首先需要实现对其气流姿态角的精确控制。由于高超声速飞行器飞行速度极高，发动机对气流角敏感，要求对控制的实时性引起足够的重视。考虑由飞行器系统信号传输和作动器动态引起的输入时滞并补偿其产生的不利影响，实现含输入时滞的高超声速飞行器气流角及绕速度滚转角的跟踪控制。

针对含时滞的系统，人们进行了大量的研究。主要将其分为状态时滞(离散时滞)，中立时滞，输入时滞和测量含时滞等类型，也包括一个系统含多种类型时滞的情况。在各类情况中，输入含时滞问题是最难以解决的。尽管对于线性系统，输入含时滞已经有了大量的研究，并提出了基于模型变换或者鲁棒性等方法，但是对于输入含时滞的非线性系统则研究甚少，只有很少的研究结果。其中尤为值得注意的是，最近Krstic等提出的时滞补偿算法。这种方法主要针对输入时滞非线性系统，同时也可以处理状态含时滞的系统及二者的复合。由于采用附加补偿器的方式，使得这种方法适用的对象系统类型相当广泛，并且可以通过复合的方式将输入时滞补偿与针对系统不确定性等其他问题的所设计的控制器紧密结合起来。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供基于动态控制面的高超音速时滞补偿的控制器的设计方法，本申请将信号传输及作动器动态引起的时滞效果抽象为纯粹的输入含时滞。为了处理这种输入含时滞的非线性系统问题，采用含补偿器控制方法。在DSC的基础上，与时滞补偿相结合就得到了相应输入含时滞的高超声速飞行器气流姿态角控制方法，为达此目的，本发明提供基于动态控制面的高超音速时滞补偿的控制器的设计方法，具体方法如下，其特征在于：

控制器在设计每层子系统的虚拟控制律之后，利用如下一阶低通滤波器L(s)对虚拟指令进行滤波，滤波器L(s)的状态方程如下，

其中，τ为滤波器时间常数，u为已经设计好的虚拟指令，每层子系统产生的虚拟指令通过这个τ已知其系统初始状态为零的滤波器产生相应的输出，在设计下一个子系统时用滤波器的输出量代替虚拟控制律，并用代替虚拟指令的导数，当虚拟指令出现不连续等非利普希兹情形时获得其导数；

将动态面控制方法应用于AHV的姿态跟踪控制，至此得到标称系统的控制器；

将其转换为针对输入含时滞情况下的时滞补偿控制器，需要标称系统满足前面指出的假设，并且标称反馈控制器使闭环系统对于附加输入或者外部干扰满足一定的稳定性要求；假设1.1：针对高超声速飞行器的姿态运动系统方程式，当D(t)＝0时，利用DSC方法对其进行变换之后，系统是前向完备的；

在加入DSC之后的误差系统，包括跟踪误差和边界层误差的动态，定义各误差如下，其中e₁和e₂为参考指令和滤波后虚拟指令的跟踪误差，而e₃为滤波器输入输出信号的跟踪误差，即边界层误差；

e₁＝x₁-x_1d，

上述定义的三个误差状态的动态如下：