即分别发送给油门伺服回路和升降舵伺服回路，连同横侧向副翼、方向舵控制信号一起控 制舰载机飞行运动状态，实现自动着舰控制。
[0096] 为了验证本发明在舰载机自动着舰控制上的有效性，进行如下仿真。仿真工具采 用MATLAB软件，分析时舰载机动力学模型采用F/A-18的相关参数，航母对象采用"尼米兹" 号航母，仿真实验中采用下滑道跟踪着舰，下滑道跟踪时间应该为56. 3s，下滑道的倾斜角 为3. 5°，舰载机的初速度％为70m/s，初始高度为240. 7m，初始侧偏距为-lm，采样时间为 〇.ls，预见步数为12,预估器预估时间为1. 2s。
[0097] 图3为下滑道轨迹的跟踪曲线，图4表示舰载机对甲板运动的跟踪曲线。由图中可 以看出基于常规工程控制方法的舰载机对下滑道轨迹的跟踪效果良好。当在着舰前12. 5s 将甲板运动预估信息加入舰载机自动着舰系统中，基于最优预见伺服控制的纵向甲板运动 跟踪响应速度很快，跟踪效果很好，具有比常规工程控制方法更好的着舰性能。
[0098] 由仿真结果可以得出，本发明所述的一种基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向 控制方法能很好地实现舰载机自动着舰下滑轨迹跟踪与甲板运动补偿，从而实现安全触 舰。
【主权项】
1. 基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制器，其特征在于：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tf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：式中：ST为油门开度反馈值，S6为升降舵偏角反馈值，S/^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。2. 根据权利要求1所述的基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制器，其特征在 于：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： 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： Ax(k+1) =AAx(k)+BAu(k) Ay(k) =CAx(k) 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，-目标值向量，-状态系数矩阵，i? -控制系数矩阵，--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，ST为油门开度反馈值， S 升降舵偏角反馈值； 下滑道轨迹跟踪误差信号定义为：her(k) = [hc(k)+hd(k)]-h(k) 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； 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：进一步改写为： x(k+1) =Ax(k)+BAu(k)+FAr(k+1)e(k) =Cx(k) 式中：，1>"为 单位阵； 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踪误 差项和控制增量输入项的二次型：其中，半正定权重矩阵，yeR…-正定权重矩阵； 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：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。3.根据权利要求1所述的基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制器，其特征在 于：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： 高度控制律为：式中，Q。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，A"、I;、<为高度控制器参数，△表示与平衡状态的偏量； 俯仰姿态控制律为： 5ePID=5e_trim+A5 = 5e_trim_KqAq+K0 (A0 c~A0) 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、K0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； 动力补偿控制律为：式中，STPID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，azs法向加速度反馈值，\为升降舵偏角反馈值，&、1；和1\为相应传感器滤波时间常数，ka、 kaI、ka^S为油门控制器参数，STtHni为平衡状态向量中的油门开度。4. 根据权利要求1所述的基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制器，其特征在 于：所述&为12. 5秒。5. 基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制方法，其特征在于：具体步骤如下： 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； 第二步：在触舰前tf秒时，自动着舰纵向控制器接收到甲板运动预估信息，通过控制 器切换模块将自动着舰纵向控制器由常规工程控制模块自动切换到最优预见伺服控制模 块，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； 其中：控制器切换模块的纵向控制器切换律为：式中：ST为油门开度，为升降舵偏角，^/^表示采用PID控制模块计算得到的油 门开度，^/^表示采用PID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。6. 根据权利要求5所述的基于控制器切换的舰载机自动着舰纵向控制方法，其特征在 于：所述常规工程控制模块采用PID控制控制方法。
【专利摘要】本发明提供一种基于常规工程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方法，在甲板运动补偿阶段，即着舰前约tf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。
【IPC分类】G05D1/02
【公开号】CN104991552
【申请号】CN201510200728
【发明人】甄子洋, 王新华, 邵敏敏, 李蒙
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年4月24日