[发明专利]基于干扰观测的弹性飞行器奇异摄动复合学习控制方法

摘要

本发明涉及一种基于干扰观测的弹性飞行器奇异摄动复合学习控制方法，该方法首先对弹性飞行器纵向通道模型解耦为速度子系统和姿态子系统；针对速度子系统采用PID控制，针对姿态子系统利用奇异摄动理论对其进行分析，实现刚柔模态解耦和快慢时标分离。设计滑模控制方法对弹性快变子系统进行控制；设计反步法控制对姿态慢变子系统进行控制，同时利用复合神经网络对未知动力学进行逼近，设计非线性观测器补偿外界干扰。基于上述所设计的控制器，实现高度和速度的精确跟踪。

主权项

1.一种基于干扰观测的弹性飞行器奇异摄动复合学习控制方法，其特征在于步骤如下：步骤1：建立弹性飞行器纵向通道动力学模型：所述的运动学模型由七个状态量和两个控制输入U＝[δ_e,Φ]^T组成；其中，V表示速度，h表示高度，γ表示航迹倾角，α表示攻角，q表示俯仰角速度，η和表示弹性模态，δ_e表示舵偏角，Φ表示节流阀开度；d_γ、d_θ和d_q表示未知外界干扰；m、I_yy和g分别表示质量、俯仰轴的转动惯量和重力引起的加速度；ζ、ω和N分别表示弹性模态的阻尼比、自然振动频率和广义力；力与力矩以及各系数的表达式为：T＝A₁+B₁η,D＝A₂+B₂η,L＝A₃+B₃η,M_yy＝A₄+B₄η,其中，表示动压，表示平均气动弦长，z_T表示推力矩臂长，S表示气动参考面积，和均为气动参数，N^α、N⁰为表征弹性体动力学的相关系数；步骤2：定义高度跟踪误差为e_h＝h‑h_d，设计航迹角指令γ_d为：式中，h_d表示高度参考指令，表示高度参考指令的一阶微分，k_h>0和k_i>0为设计参数；根据时标分离，将速度看作慢动态，设计航迹角指令的一阶微分为：式中，表示高度参考指令的二阶微分；步骤3：取x₁＝γ，x₂＝θ，x₃＝q，其中θ＝α+γ表示俯仰角，将姿态子系统(3)‑(6)写为以下形式：式中，定义ρσ＝η，ρB₂＝β₁，姿态子系统(9)写为以下形式：设置ρ＝0，姿态子系统(10)写为以下慢变子系统形式：式中，‘s’表示慢变子系统，δ_es表示慢变子系统的舵偏角；将式(14)代入式(10)中，慢变子系统(11)‑(14)写为以下形式：慢变子系统(15)可进一步写为以下严格反馈形式：式中，f_i，i＝1,3表示由式(15)得到的未知平滑非线性函数；g_i，i＝1,3表示由式(15)得到的已知非线性函数；步骤4：定义ψ₁＝σ‑σ_s，式(6)写为以下形式：式中，δ_ef＝δ_e‑δ_es表示快变子系统的舵偏角；将式(14)代入式(17)中，快变子系统(17)写为以下形式：将式(18)进一步写为以下矩阵形式：式中，ψ＝[ψ₁,ψ₂]^T，步骤5：定义航迹角跟踪误差为：e₁＝x_1s‑γ_d  (20)设计俯仰角虚拟控制量为：式中，表示神经网络最优权重的估计值，θ₁表示神经网络基函数向量，表示复合扰动的估计值，k₁>0为设计参数；设计一阶滤波器为：式中，表示通过式(22)所表达的滤波器后获得的信号，为滤波后得到的信号的一阶微分，α₂>0为设计参数；定义预测误差为：其中由下式得到：式中，B₁>0为设计参数；设计自适应律为：式中，γ₁>0，γ_z1>0和δ₁>0为设计参数；设计扰动观测器为：其中χ₁由下式得到：式中，L₁>0为设计参数；定义俯仰角跟踪误差为：设计俯仰角速率虚拟控制量为：式中，表示复合扰动的估计值，k₂>0为设计参数；设计一阶滤波器为：式中，表示通过式(30)所表达的滤波器后获得的信号，为滤波后得到的信号的一阶微分，α₃>0为设计参数；设计扰动观测器为：其中χ₂由下式得到：式中，L₂>0为设计参数；定义俯仰角速率跟踪误差为：设计慢变子系统的舵偏角为：其中，表示神经网络最优权重的估计值，θ₃表示神经网络基函数向量，表示复合扰动的估计值，k₃>0为设计参数；定义预测误差为：其中由下式得到：式中，B₃>0为设计参数；设计自适应律为：式中，γ₃>0，γ_z3>0和δ₃>0为设计参数；设计扰动观测器为：其中χ₃由下式得到：式中，L₃>0为设计参数；步骤6：定义滑模切换函数为：c＝Gψ  (40)式中，G∈R^2×2为设计的矩阵；设计快变子系统的舵偏角为：δ_ef＝(GQ_f)⁺[‑G(P_fψ)‑K_fsign(c)]  (41)式中，‘+’表示矩阵的摩尔彭罗斯逆，K_f为设计的正定矩阵；步骤7：定义速度跟踪误差为：式中，V_d为速度参考指令；设计节流阀开度Φ为：式中，k_pV>0，k_iV>0和k_dV>0为设计参数；步骤8：根据得到的慢变子系统的舵偏角δ_es和快变子系统的舵偏角δ_ef，得到姿态子系统的舵偏角δ_e＝δ_es+δ_ef，结合速度子系统的节流阀开度Φ，返回到弹性高超声速飞行器动力学模型(1)‑(6)，对高度和速度进行跟踪控制。