[发明专利]一种考虑二阶弹性模态的飞行器自抗扰姿态控制方法

说明书

本发明一种考虑二阶弹性模态的飞行器自抗扰姿态控制方法，包括如下两个步骤步骤(一)：将“总干扰向量”f(x(t),d,t)作为一个扩张状态向量，设计含m(m≥3)个混合位移量测和二阶弹性模型的新型刚柔耦合扩张状态观测器：步骤(二)：利用步骤(一)中新型刚柔耦合ESO得到的刚体姿态角、弹性模态以及“总干扰向量”估计值，设计带有姿态运动“总干扰”补偿和弹性模态抑制的自抗扰控制(ADRC)律。本发明设计了第一、二阶弹性模态速度信号的估计值反馈模块，进而加快了弹性模态的衰减速度，从而实现整体控制系统的性能提升。该控制律可以实现在参数拉偏、多模态弹性耦合和风等其它干扰力和干扰力矩下姿态运动的动态响应和控制精度的一致性。

技术领域

本发明属于弹性飞行器姿态控制的设计领域，具体内容涉及到针对带有刚柔耦合不确定动态、外扰等不确定性的飞行器姿态控制问题。

背景技术

为了满足飞行器结构和功能上的双重需求，如今飞行器的设计具有结构上大长细比、材料上轻质化的特点，在外力的作用下这类工业产品不可避免地会发生弹性形变，进而引起弹性振动。这使得在设计控制律时原本可以忽略不计的弹性模态要纳入考虑范畴，原因如下：

1.当弹性模态的振动频率和刚体运动或外界激励的频率接近时，弹性模态会被激发，特别是低阶弹性模态，其振动频率容易接近刚体运动或外界激励的频率。此时，弹性振动幅度较大，很有可能对系统的闭环性能和安全性能产生影响。

2.当弹性振动严重时，传感器量测到的并非精确被控状态，即刚体状态，而是包含了飞行器刚体姿态角和弹性模态的混合信息。此时，即使在没有模型不确定性和外部干扰的情况下，也无法直接使用量测输出构造反馈控制。这是由于弹性振动模态受到激励，使得伺服机构进入饱和状态，从而阻塞控制信号。此时的控制律无法保证控制精度，甚至会造成机体结构的严重损坏。

3.弹性模态和刚体模态的耦合加强且不确定性大，此时，如果对弹性模态的振动不进行很好的抑制，会影响刚体姿态角的控制精度。反之，刚体姿态角的动态响应也会影响弹性模态的收敛性。

针对这样的刚柔耦合不确定系统，控制目标为：将刚体姿态角控制到目标值，同时抑制弹性模态的振动。因此，如何合理有效地设计控制律以实现姿态角的控制并抑制弹性振动带来的影响是弹性飞行器控制设计的一个关键问题。除此之外，外界扰动力和扰动力矩，例如风干扰以及参数不确定性、模型不确定性同样也给控制带来挑战。

针对弹性飞行器的控制设计，现有研究中的控制设计方法主要可分为以下4类：(1)基于飞行器结构分析的技术：通过分析飞行器结构，文献[1-2]额外附加了执行机构，文献[3]优化了敏感器件的位置，进而抑制安装点弹性效应的影响；(2)基于滤波器的技术：文献[4-5]将弹性振动模态视为扰动，在量测环节加入了自适应滤波器或陷波器，以过滤掉量测中的弹性成分；(3)鲁棒控制技术：文献[6]采用了H_∞鲁棒控制以减少弹性振动模态子系统对控制系统的影响，文献[7]设计了基于参数投影自适应律的自适应鲁棒姿态控制器，在保证稳态性能的同时提高了动态性能；(4)基于观测器设计的控制方法：文献[8-13]采用了双通道结构，首先通过构造扰动/不确定性观测器估计扰动，其次在设计控制器时利用上述扰动估计值对扰动进行补偿，即主动抗扰。其中，该方法的核心为扰动/不确定性观测器的构造。

上述已有文献针对多类弹性飞行器的控制问题提出了一些有效解决方法，但已有研究工作仍存在如下不足：(1)对飞行器结构分析的要求较高，或者无法做到同时抑制各阶弹性模态振动的影响，不易应用到工程实践中；(2)无法解决当弹性模态的振动频率接近于刚体状态带宽时陷波器失效的难题；(3)仅考虑了第一阶弹性模态，未考虑当第一、二阶弹性模态的频率均接近刚体运动或外界激励的频率时的飞行器自抗扰姿态控制方法。

发明内容