[发明专利]一种固定翼无人机纵向姿态控制器设计方法

摘要

本发明公开了一种固定翼无人机纵向姿态控制器设计方法，该方法提供了一种固定翼无人机俯仰角线性控制器结构和参数设计方法，可实现无人机俯仰角的快速无静差控制，使用俯仰角和俯仰角速率反馈配置无人机纵向短周期极点，其中俯仰角反馈起提高角频率作用，俯仰角速率反馈起提高阻尼作用；在此基础上，使用积分控制对系统的主导极点进行配置，同时实现俯仰角的无静差控制。本发明中对于控制器各参数均给出了定量或半定量的设计方法，从而方便参数选择。

主权项

1.一种固定翼无人机纵向姿态控制器设计方法，其特征在于：该方法提供了一种固定翼无人机俯仰角线性控制器结构和参数设计方法，可实现无人机俯仰角的快速无静差控制，使用俯仰角和俯仰角速率反馈配置无人机纵向短周期极点，其中俯仰角反馈起提高角频率作用，俯仰角速率反馈起提高阻尼作用；在此基础上，使用积分控制对系统的主导极点进行配置，同时实现俯仰角的无静差控制，具体包括以下步骤：步骤A、固定翼无人机纵向线性化建模：在定速平飞情况下，对固定翼无人机的纵向运动线性化，得到如下三阶状态方程：其中，状态量x＝[q α θ]T分别为俯仰角速率、迎角和俯仰角；输入量u＝δe为升降舵偏角；状态矩阵和输入矩阵如下：其中M_q为俯仰角速率产生的俯仰角加速度，M_α为迎角产生的俯仰角加速度，Z_α为迎角产生的迎角变化率，为升降舵偏转产生的俯仰角加速度，为升降舵偏转产生的迎角变化率；步骤B、短周期模态极点配置：求解式(2)所示的状态矩阵A的特征值，得到飞机的纵向自然特性；易知A在原点处存在一个极点，另外一对极点则对应了飞机纵向运动的短周期模态，这对极点通常为复共轭极点，记其为选择期望的俯仰角响应时间俯仰角闭环后，系统的主导极点为一对复共轭极点，为保证系统阶跃响应的超调量较小，选择主导极点的期望阻尼比为0.9，此时响应时间与二阶系统的时间常数满足得到期望的主导极点自振角频率选择通过调整俯仰角反馈增益K_θ使得短周期极点的角频率达到期望的进一步通过调整俯仰角速率反馈增益K_q使得短周期极点的阻尼比ξ_sp达到0.4；步骤C、俯仰角积分闭环参数设计：在设计好增益Kq和Kθ后，可到俯仰角指令θc到θ的开环传递函数；以参数K_I为增益，作出俯仰角闭环控制根轨迹图；通过根轨迹选择使主导极点阻尼满足的增益作为K_I；若主导极点的根轨迹无法达到阻尼0.9，则选择一组阻尼较为接近的主导极点；步骤D、系统闭环特性验证：在设计完成后需要对主导极点的条件进行验证；设闭环后得到的主导极点和短周期极点分别为和其角频率分别为和若则可认为满足条件；在验证完阶跃响应特性之后，如果不满足设计要求则说明选择的设计指标不合理，此时回到步骤B重新选择较大的响应时间再进行后续步骤。