基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制器及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于常规工程控制器（PID控制器）和最优预见伺服控制器切换 的舰载机自动着舰纵向控制方法，尤其涉及一种着舰下滑道轨迹跟踪控制与甲板运动补偿 控制方法，属于飞行控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 舰载机能否安全、精确地着舰是航空母舰/舰载机武器作战系统的关键技术之 一。而舰载机自动着舰过程中，下滑道轨迹信息是提前已知的，为了提高舰载机着舰的安全 性，运用已知的下滑道轨迹信息对舰载机自动着舰控制具有重要的工程价值。
[0003]舰载机着舰一般采用下滑道轨迹跟踪着舰。所谓下滑道轨迹跟踪着舰（舰载机等 角下滑），是在进舰着舰的最后阶段，舰载机截获合适的下滑道轨迹后，一直保持相同的下 滑轨迹角、俯仰角、速度和下沉率，直至舰载机与航母飞行甲板碰撞，实现撞击式着舰。由于 甲板运动的影响，舰载机自动着舰全过程可以分为两个阶段，一是下滑道轨迹跟踪阶段，二 是甲板运动补偿阶段。舰载机一般在着舰前12. 5s将甲板运动预估信息加入自动着舰控制 系统中，让舰载机在跟踪下滑轨迹的过程中同时跟踪甲板运动。实际甲板运动补偿阶段，常 规工程控制器（PID控制器）很难使舰载机在最后的着舰阶段完全跟踪甲板运动，从而降 低着舰成功率。因此，在甲板运动补偿阶段，如果采用能够利用甲板运动预估信息的控制方 法，则有利于实现对甲板运动的跟踪，从而提高着舰性能。
[0004] 目前，针对舰载机自动着舰的研宄，国内外学者研宄的重点都是在仅考虑下滑道 和甲板运动的当前信息来设计控制律。而舰载机在下滑过程中下滑道轨迹信息以及甲板 运动信息均为可预见信息，但国内外学者没有利用这些可预见的未来信息对舰载机进行控 制。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明设计一种基于常规工程控制（PID控制）与最优预见伺服控 制切换的舰载机自动着舰纵向控制方法，在下滑道轨迹跟踪阶段，纵向控制器采用常规工 程控制（PID控制）方法，在甲板运动补偿阶段，即着舰前约％秒（工程上一般取12.5秒） 时纵向控制器切换到最优预见伺服控制，利用下滑道轨迹以及纵向甲板运动的未来信息对 舰载机进行精确轨迹跟踪控制，从而实现对下滑道高度的跟踪及纵向甲板运动的补偿。而 且，利用未来信息进行前馈控制，可以提前对舰载机的舵面和油门实施平均操作以达到跟 踪补偿目的，减小瞬时的能量，并且加快响应速度，确保舰载机能在航母上安全着舰。
[0006] 本发明的技术方案是：基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制器，包括常规 工程控制模块、最优预见伺服控制模块、控制器切换模块；所述常规工程控制模块采用下滑 道轨迹跟踪着舰，用于下滑道轨迹跟踪阶段；所述最优预见伺服控制模块利用下滑道轨迹 以及纵向甲板运动的未来信息对舰载机进行轨迹跟踪控制，实现对下滑道高度的跟踪及纵 向甲板运动的补偿，用于甲板运动补偿阶段；所述控制器切换模块在着舰前&秒时，将控制 器从常规工程控制模块切换到最优预见伺服控制模块；所述控制器切换模块的纵向控制切 换律为：
[0007]
[0008] 式中：ST为油门开度反馈值，S6为升降舵偏角反馈值，STPID表示采用常规工程 控制模块计算得到的油门开度，S/ID表示采用常规工程控制模块计算得到的升降舵偏角，STrc表示采用最优预见伺服控制模块计算得到的油门开度，S 表示最优预见伺服控制模 块计算得到的升降舵偏角，t为从着舰开始计时的时间变量，tf为设定的控制器切换时间， 也就是开始进入甲板运动补偿阶段的时间，T为预定的着舰过程总时间。
[0009] 进一步的，所述最优预见伺服控制模块的自动着舰纵向控制律的计算方法如下：
[0010] 对舰载机全量非线性模型进行配平和线性化处理，得到纵向状态模型，经过离散 化处理得到离散时间状态模型：
[0011]AX(k+1) =AAX(k)+BAU(k)
[0012] Ay(k) =CAx(k)
[0013]式中：x= [h,V，a，q, 0 ]T-状态向量，y=h-输出向量，u= [ST, SJ-控制输 入向量，r -目标值向量，』一状态系数矩阵，一控制系数矩阵，CeK- 一输出系数矩阵，△表示与平衡状态量的偏量；其中，h为飞行高度反馈值，V为飞行速度反 馈值，a为迎角反馈值，q为俯仰角速率反馈值，0为俯仰角反馈值，STS油门开度反馈 值，\为升降舵偏角反馈值；
[0014] 下滑道轨迹跟踪误差信号定义为：
[0015]her(k) = [hc(k)+hd(k)]_h(k)
[0016] 式中：h。为预定下滑道高度指令，hd为甲板理想着舰点高度预估值；
[0017] 将下滑道轨迹跟踪误差信号的一阶差分值与状态向量x的一阶差分值作为新 的状态变量，得到如下误差系统：
[0020] 进一步改写为[0021][0022]
[0018]
[0019]
4为单位阵；[0024] 已知当前k时刻直到未来N步的目标值，定义误差系统的评价函数为如下包含跟
[0023] 踪误差项和控制增量输入项的二次型：
[0025]
[0026] 其中，e:、》m-半正定权重矩阵，及-1 -正定权重矩阵；
[0027] 由此最优化求解方法，计算得到基于最优预见伺服控制的自动着舰纵向控制律：
[0028]
[0029]
[0030] 式中，sTrc表示采用最优预见伺服控制模块计算得到的油门开度，S，表示最优 预见伺服控制模块计算得到的升降舵偏角，^为状态反馈控制矩阵，Fh。为未来信息前馈控 制矩阵，I、￡为中间变量，hd为甲板运动预估模块得到的理想着舰点高度预估值。
[0031] 进一步的，所述常规工程控制模块包括俯仰高度控制器、姿态控制器和动力补偿 控制器；其中：
[0032] 高度控制律为：
[0033]
[0034] 式中，0。为俯仰角反馈值，h。为预定下滑道高度指令，h为飞行高度反馈值，s为 传递函数算子T、K、<为高度控制器参数，A表示与平衡状态的偏量；
[0035] 俯仰姿态控制律为：
[0036] 5ePID= 5 e_trim+A 5 e?= 5e_trim_KqA q+K 0(A 0c~A 0)
[0037] 式中，s/ID表示采用常规工程控制模块计算得到的升降舵偏角，Kq、1(0为俯仰姿 态控制器参数，\ 为平衡状态向量中的升降舵偏角，q为俯仰角速率反馈值；
[0038] 动力补偿控制律为：
[0039]
[0040] 式中，^，表示采用常规工程控制模块计算得到的油门开度，a为迎角反馈值， \为法向加速度反馈值，S6为升降舵偏角反馈值，&、亿和！\为相应传感器滤波时间常 数，1、1 1、匕及夂为油门控制器参数，8^^]为平衡状态向量中的油门开度。
[0041] 进一步的，所述心为12. 5秒。
[0042] 本发明还提供一种基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制方法，具体步骤如 下：
[0043] 第一步：舰载机开始着舰，进入下滑道轨迹跟踪阶段，自动着舰纵向控制器采用常 规工程控制模块进行控制，所述常规工程控制模块采用下滑道轨迹跟踪着舰，用于下滑道 轨迹跟踪阶段；
[0044] 第二步：在触舰前&秒时，自动着舰纵向控制器接收到甲