[发明专利]固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置

说明书

针对现有固定翼飞行器纵向通道的总能量控制系统中抗扰动能力较差的问题，本发明提出一种固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置，建立含有未建模动态、外部干扰的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型，根据输入信号的特点选用不同的跟踪微分器对信号进行平滑处理，利用处理后的信号设计PID控制器，再利用延时处理后的控制量设计观测器，将扩张状态视为系统总扰动进行实时估计，对控制器输出的控制量进行扰动补偿，得到最终的控制量，增强控制系统的抗扰动能力。

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，具体涉及一种固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置。

背景技术

固定翼飞行器纵向通道控制主要是指通过控制俯仰角保证飞行器以给定高度进行定高飞行。总能量控制系统（Total Energy Control System，TECS）是基于能量控制与分配的思想，将高度控制与空速控制进行解耦，由油门控制总能量，利用升降舵（俯仰角）控制势能和动能之间的能量转换。

在总能量控制系统中，推力和阻力大小共同决定了总能量的变化率，并且认为在飞行过程中飞行状态变化时，飞行器所受阻力不变。然而，实际上阻力不仅仅受到飞行状态变化的影响，同时也受到外界环境变化，如风速的影响。同样的，在通过升降舵对势能与动能进行分配的同时，也不可避免地会发生能量损失，其大小往往也难以用精确的模型进行表述。

发明内容

针对现有固定翼飞行器纵向通道的总能量控制系统中抗扰动能力较差的问题，本发明提出一种固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置。本发明，能够有效提高系统整体的抗扰动能力，提高鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

固定翼飞行器纵向通道控制方法，包括：

第一步，将未建模部分、参数不确定性和外部干扰统称为总扰动，用扩张状态表示，建立含总扰动的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型；

第二步，对于输入的高度信号，采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器对高度信号进行平滑滤波处理，输出参考高度信号及其微分信号，对于输入的速度信号，采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器对速度信号进行平滑滤波处理，输出参考速度信号及其微分信号，并将其转换为单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率；

第三步，以参考总能量、参考总能量变化率、实际总能量和实际总能量变化率作为输入，设计总能量通道的双闭环串联型PID控制器，其中总能量控制为外环，总能量的变化率控制为内环；

第四步，以参考能量分配、参考能量分配变化率、实际能量分配和实际能量分配变化率作为输入，设计能量分配通道的双闭环串联型PID控制器；

第五步，分别设计总能量通道和能量分配通道的二阶扩张状态观测器，利用反馈的实际状态量和执行器延时处理后的控制量，对第一步中建立的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型中的总扰动进行估计，并对控制器输出进行扰动补偿，得到最终控制量。

进一步地，本发明第一步中，选择实际总能量 和实际能量分配 作为状态变量，建立固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型为：：

其中，和分别为总能量通道控制量和能量分配通道控制量的放大倍数估计参数，为油门信号延迟时间后的输出值，为升降舵量延迟时间后的输出值，为总能量通道的未建模部分以及外部扰动的总和，为能量分配通道的未建模部分以及外部扰动的总和，和分别为总能量通道和能量分配通道的外部扰动。

进一步地，本发明第二步中采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器，如下：

其中，为输入的高度信号，为参考高度信号，为参考高度的微分信号，为高度跟踪微分器的滤波因子，为高度跟踪微分器的快速因子，为中间变量，为最速控制综合函数；