变体飞行器协同飞行的控制系统及其建模仿真方法
【专利摘要】本发明公开了一种变体飞行器协同飞行的控制系统及其建模仿真方法，所述系统包括飞行控制器、全局变形控制器、网络总线、局部变形控制器、分布式传感器、分布式驱动器、变形结构、传感器。本发明通过仿真展示了变体飞行器能很好地完成跨高度、跨速度的变形协同飞行，验证了所提控制策略的合理性与优越性，并表明了变体飞行器能协同结构变形的有利影响改善机动飞行性能，扩大飞行包线范围，体现了变体飞行器相较于常规飞行器的优势。
【专利说明】
变体飞行器协同飞行的控制系统及其建模仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及变体飞行器控制领域，特别是涉及一种变体飞行器协同飞行的控制系 统及其建模仿真方法。
【背景技术】
[0002] 近年来军用和民用航空对飞行器性能提出了越来越高的要求，飞行器既要适应飞 行环境的变化、执行不同任务，又要保证飞行性能，并且还要满足经济性要求，而当前的飞 行器技术无法同时满足这些要求。变体飞行器技术是一种潜在的、可以有效解决这一问题 的技术途径。变体飞行器是一种可以大尺度的改变气动外形进而实现多任务飞行的航空飞 行器。变体飞行器的研究已经有相当长的历史，早在1916年，美国已有人提出"变形机翼"的 专利申请。近年来，新材料、新驱动装置与新控制技术等领域的快速发展进一步激发了人们 研究智能变体飞行器的热情，在过去的几十年中，世界各国在变体飞行器技术上开展了大 量的研究。
[0003] 在不同的飞行条件下，为了获得最优性能，变体飞行器需要在相当大的范围内改 变气动外形，因此，不能像常规飞行器那样将变体飞行器作为单个刚体进行动力学建模，而 要建立一种包含变形结构的动力学模型。
[0004] 目前，在对变体飞行器进行动力学建模时，大多采用经典牛顿力学方法，把飞行器 看作一个整体，求取其动量和其对质心的动量矩，然后对时间求导，进而建立飞行器在外合 力F作用下的平移运动和在外合力矩M作用下的转动运动方程。在此过程中，考虑到飞行器 的变形，需要通过积分求取整个飞行器关于参考点的静力矩，同时需要对转动惯量求导以 解决飞行器变形带来的转动惯量变化的问题，可以发现这种方法计算量较大，且需要对飞 行器的外形以及质量分布进行精确的建模。另外，对变体飞行器进行动力学分析时，目前很 难分析除空气动力变化外，由变体运动引起的惯性对飞行器动力学特性的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种变体飞行器协同飞行的控制系统及其建 模仿真方法，其能够改善机动飞行性能，扩大飞行包线范围。
[0006] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种变体飞行器变形协同飞 行控制系统，其包括：
[0007] 飞行控制器，用于控制飞行器的飞行状态，即实现飞行控制；
[0008] 全局变形控制器，与飞行控制器相连，对变形结构进行控制；
[0009] 网络总线，用于连接局部变形控制器与分布式传感器，作为数据通信的通道；
[0010] 局部变形控制器，与分布式传感器相连，用于控制变形结构；
[0011] 分布式传感器，与局部变形控制器、分布式驱动器相连，作为控制系的硬件结构； [0012]分布式驱动器，用于驱动变形结构；
[0013]变形结构，使变体飞行器实现变体的机械结构，使飞行器获得高气动效率；
[0014] 传感器，检测变形结构的状态并将信息反馈飞变形控制器。
[0015] 本发明还提供一种变体飞行器变形协同飞行控制系统的建模仿真方法，其包括以 下步骤：
[0016] 步骤一，变体飞行器飞行包线范围内选择了若干工作点，制订了相应的模糊规则；
[0017] 步骤二，建立了全包线纵向T-S模糊模型，以通过线性模型描述原非线性动力学模 型；
[0018] 步骤三，后基于T-S模糊模型，结合鲁棒Η~控制思想和roc原理，提出了基于连续T-S模糊模型的模糊鲁棒Ε?控制策略；
[0019] 步骤四，通过有限个LMI条件计算模糊增益矩阵，保证了变形飞行过程的全局稳定 和鲁棒性能，并能渐近跟踪参考信号的目标飞行状态；
[0020] 步骤五，将变体飞行器的连续T-S模糊模型离散化，采用模糊Lyapunov函数方法降 低保守性，结合Non-TOC原理，提出了基于离散T-S模糊模型的DFRHC策略，通过有限个LMI条 件计算更可行的离散模糊增益矩阵，更好地保证了变形飞行过程的全局稳定、鲁棒性能和 跟踪精度；
[0021] 步骤六，将所设计的控制器引入变体飞行器非线性动力学模型，通过数值仿真展 不。
[0022]优选地，所述步骤二包括以下步骤：
[0023] 步骤二十一，建立非线性系统的T-S模糊模型：
[0024]
[0025]
[0026] 式中，nj (t)，j = 1，2，…，g为前件变量;为第i条规则中第j个前件变量n j (t)对 应的模糊子集MbB1为第i条规则的局部线性系统矩阵。对于具体的非线性系统而言，前件 变量的选择、模糊子集的划分、模糊规则的数量等取决于系统自身特性与控制设计的目标；
[0027] 步骤二十二，建立非线性系统的局部线性模型：
[0028]
[0029] 式中，雄)为状态向量；《(【)_€.□ M为输入向量；Λ为输出向量；
非线性系统函数彳(叉(1：)) = [;^(叉(1:))5(叉(1：)>";^(叉(1:))]1'。
[0030] 优选地，所述步骤三包括基于T-S模糊系统的模糊鲁棒He?控制方案的设计，对不确 定T-S模糊系统设计的跟踪参考信号的模糊鲁棒Ε?控制策略具体结构为：
[0031]
[0032] 式中，模糊增益矩阵
为相应维数的常值矩阵，Ki为 第i条规则的模糊增益矩阵，跑)eUl 为可控输出向量
为模糊前馈控制部分，目的是根据跟踪目标提供基准稳定;ub(t)为模糊反馈控制部分，目 的是保证闭环系统的鲁棒稳定。
[0033] 优选地，所述步骤五包括以下步骤：
[0034]步骤五十一，基于离散T-S模糊系统的离散模糊鲁棒控制方案的设计，对不确定 连续T-S模糊增广系统进行离散化，得到不确定离散T-S模糊增广系统，采用模糊Lyapunov 函数方法降低保守性，结合Non-PDC原理，提出一种新的DFRHC策略，具体的设计结构为：
[0035]
[0036]式中，Fi,Gi，i = 1，2，"_r为相应维数的常值矩阵。
[0037]步骤五十二，基于离散T-S模糊系统的离散模糊鲁棒控制方案代入不确定离散 T-S模糊增广系统，得到闭环系统：
[0038]
[0039]对于不确定离散T-S模糊闭环系统，给定常数γ >0,如果存在对称正定实矩阵P1 =PiT〉0 _ i = 1 _ 2 …_ r 扭.
[0040]
[0041] 式中，*表示对称矩阵中相关元素的对应转置元素，则闭环系统全局渐近稳定且具 有Η?性能指标γ。
[0042]对于不确定离散T-S模糊增广系统，给定常数γ >0,存在DFRHC，使得闭环系统 全局渐近稳定且具有H ~性能指标γ的充分条件是存在实矩阵 馬，(?,??' =(β) <0,偽=(偽），?'<_/，4/)/ = 1，2:5*->，'，}两足下述1^0条件：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 本发明的积极进步效果在于:通过仿真展示了变体飞行器能很好地完成跨高度、 跨速度的变形协同飞行，验证了所提控制策略的合理性与优越性，并表明了变体飞行器能 协同结构变形的有利影响改善机动飞行性能，扩大飞行包线范围，体现了变体飞行器相较 于常规飞行器的优势。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明变体飞行器变形协同飞行控制系统的结构示意图。
[0050] 图2为本发明飞行速度曲线的仿真对比结果图。
[0051] 图3为本发明迎角曲线的仿真对比结果图。
[0052]图4为本发明俯仰角曲线的仿真对比结果图。
[0053]图5为本发明俯仰角速度曲线的仿真对比结果图。
[0054]图6为本发明飞行高度曲线的仿真对比结果图。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0056] 如图1所示，本发明变体飞行器变形协同飞行控制系统包括飞行控制器、全局变形 控制器、网络总线、局部变形控制器、分布式传感器、分布式驱动器、变形结构、传感器，其 中：
[0057] 飞行控制器，用于控制飞行器的飞行状态，即实现飞行控制；
[0058] 全局变形控制器，与飞行控制器相连，对变形结构进行控制；
[0059] 网络总线，用于连接局部变形控制器与分布式传感器，作为数据通信的通道；
[0060] 局部变形控制器，与分布式传感器相连，用于控制变形结构；
[0061] 分布式传感器，与局部变形控制器、分布式驱动器相连，作为控制系的硬件结构；
[0062] 分布式驱动器，用于驱动变形结构；
[0063] 变形结构，使变体飞行器实现变体的机械结构，使飞行器获得高气动效率；
[0064] 传感器，检测变形结构的状态并将信息反馈飞变形控制器。
[0065] 本发明变体飞行器变形协同飞行控制系统的建模仿真方法包括以下步骤：
[0066] 步骤一，变体飞行器飞行包线范围内选择了若干工作点，制订了相应的模糊规则；
[0067] 步骤二，建立了全包线纵向T-S模糊模型，以通过线性模型描述原非线性动力学模 型；
[0068] 步骤三，后基于T-S模糊模型，结合鲁棒Η~控制思想和roc原理，提出了基于连续T-S模糊模型的模糊鲁棒Ε?控制策略；
[0069] 步骤四，通过有限个LMI条件计算模糊增益矩阵，保证了变形飞行过程的全局稳定 和鲁棒性能，并能渐近跟踪参考信号的目标飞行状态；
[0070] 步骤五，将变体飞行器的连续T-S模糊模型离散化，采用模糊Lyapunov函数方法降 低保守性，结合Non-TOC原理，提出了基于离散T-S模糊模型的DFRHC策略，通过有限个LMI条 件计算更可行的离散模糊增益矩阵，更好地保证了变形飞行过程的全局稳定、鲁棒性能和 跟踪精度；
[0071] 步骤六，将所设计的控制器引入变体飞行器非线性动力学模型，通过数值仿真展 不。
[0072] 其中，所述步骤二包括以下步骤：
[0073] 步骤二十一，非线性系统的T-S模糊模型公式如下式(1):
[0074]
[0075]
[0076] 式中，nj (t)，j = 1，2，…，g为前件变量;为第i条规则中第j个前件变量Ilj (t)对 应的模糊子集MuB1为第i条规则的局部线性系统矩阵。对于具体的非线性系统而言，前件 变量的选择、模糊子集的划分、模糊规则的数量等取决于系统自身特性与控制设计的目标；
[0077] 步骤二十二，非线性系统的局部线性模型的公式如下式(2):
[0078； ….(2)
[0079] 式中，沖)e[]H为状态向量；《⑴e[]m为输入向量；为输出向量； J
9 非线性系统函数，f(X(t)) = [fl(X(t)) f2(X(t))…fn(X(t))]T。
[0080] 所述步骤三包括:基于T-S模糊系统的模糊鲁棒Η~控制方案的设计，对不确定T-S 模糊系统设计的跟踪参考信号的模糊鲁棒Η?控制策略具体结构如式(3):
[0081]
[0082] 3相应维数的常值矩阵，Ki为 第i条规则的模糊增益矩阵，ZW 为可控输出向量
为模糊前馈控制部分，目的是根据跟踪目标提供基准稳定;ub(t)为模糊反馈控制部分，目 的是保证闭环系统的鲁棒稳定。
[0083] 所述步骤五包括以下步骤：
[0084]步骤五十一，基于离散T-S模糊系统的离散模糊鲁棒控制方案的设计，对不确定 连续T-S模糊增广系统进行离散化，得到不确定离散T-S模糊增广系统，采用模糊Lyapunov 函数方法降低保守性，结合Non-PDC原理，提出一种新的DFRHC策略，具体的设计结构如式 (4)：
[0085]
........ (4)
[0086] 式中，Fi，Gi，i = I，2，"_r为相应维数的常值矩阵。
[0087]步骤五十二，基于离散T-S模糊系统的离散模糊鲁棒控制方案代入不确定离散 T-S模糊增广系统，得到闭环系统式(5):
[0088] …""…."….(5)
[0089]对于不确定离散T-S模糊闭环系统，给定常数γ >0,如果存在对称正定实矩阵P1 = PiT>0，i = l，2，···，r，满足式(6)
[0090] .........................(6)
[0091] 式中，*表示对称矩阵中相关元素的对应转置元素，则闭环系统全局渐近稳定且具 有Η?性能指标γ。
[0092]对于不确定离散T-S模糊增广系统，给定常数γ >0,存在DFRHC，使得闭环系统全 局渐近稳定且具有H ~性能指标γ的充分条件是存在实矩阵 巧=if >0,朽，6,0/ =也)τ <见每=(^)T,i:<:M
[0093]
[0094]
[0095]
[0096]
[0097] - . ο：
[0098]如图2至6所示，在加入了复合干扰的机翼收缩过程中，三种控制器都使得变体飞 行器在机翼变形后回到了初始时的飞行速度和飞行高度，但只有RGSC/SMD0能非常好地稳 定整个变形飞行过程，始终保持飞行速度和飞行高度的恒定，几乎没有任何波动，控制精度 极高;OC和GSC则产生了较大的偏离过程，同时一直处于振荡状态。这表明，常规OC和GSC缺 乏对复合干扰的抑制能力，而RGSC/SMD0则通过对复合干扰的观测补偿控制在保证系统全 局稳定性之外还提供了极高的鲁棒性能。
[0099]以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制 本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种变体飞行器变形协同飞行控制系统，其特征在于，其包括： 飞行控制器，用于控制飞行器的飞行状态，即实现飞行控制； 全局变形控制器，与飞行控制器相连，对变形结构进行控制； 网络总线，用于连接局部变形控制器与分布式传感器，作为数据通信的通道； 局部变形控制器，与分布式传感器相连，用于控制变形结构； 分布式传感器，与局部变形控制器、分布式驱动器相连，作为控制系的硬件结构； 分布式驱动器，用于驱动变形结构； 变形结构，使变体飞行器实现变体的机械结构，使飞行器获得高气动效率； 传感器，检测变形结构的状态并将信息反馈飞变形控制器。2. -种变体飞行器变形协同飞行控制系统的建模仿真方法，其特征在于，其包括W下 步骤： 步骤一，变体飞行器飞行包线范围内选择了若干工作点，制订了相应的模糊规则； 步骤二，建立了全包线纵向T-S模糊模型，W通过线性模型描述原非线性动力学模型； 步骤Ξ，后基于T-S模糊模型，结合鲁棒He?控制思想和PDC原理，提出了基于连续T-S模 糊模型的模糊鲁棒Η?控制策略； 步骤四，通过有限个LMI条件计算模糊增益矩阵，保证了变形飞行过程的全局稳定和鲁 棒性能，并能渐近跟踪参考信号的目标飞行状态； 步骤五，将变体飞行器的连续T-S模糊模型离散化，采用模糊Lyapunov函数方法降低保 守性，结合Non-PDC原理，提出了基于离散T-S模糊模型的DFR肥策略，通过有限个LMI条件计 算更可行的离散模糊增益矩阵，更好地保证了变形飞行过程的全局稳定、鲁棒性能和跟踪 精度； 步骤六，将所设计的控制器引入变体飞行器非线性动力学模型，通过数值仿真展示。3. 如权利要求2所述的变体飞行器变形协同飞行控制系统的建模仿真方法，其特征在 于，所述步骤二包括W下步骤： 步骤二十一，建立非线性系统的T-S模糊模型：式中，ηj (t)，j = 1，2，…，g为前件变量；为第i条规则中第j个前件变量ηj (t)对应的 模糊子集;Ai，Bi为第i条规则的局部线性系统矩阵;对于具体的非线性系统而言，前件变量 的选择、模糊子集的划分、模糊规则的数量等取决于系统自身特性与控制设计的目标； 步骤二十二，建立非线性系统的局部线性模型：式中，成)纽"为状态向量；W为输入向量；y(〇e□"为输出向量； /:日"^0"，占为非线性系统函数，f(x(t)) = [fi(x(t)) f2(X(t))…fn(X(t)) ]τ。4. 如权利要求2所述的变体飞行器变形协同飞行控制系统的建模仿真方法，其特征在 于，所述步骤Ξ包括基于T-S模糊系统的模糊鲁棒He?控制方案的设计，对不确定T-S模糊系 统设计的跟踪参考信号的模糊鲁棒He?控制策略具体结构为：式中，模糊增益矩巧A，z' = l，2，···^为相应维数的常值矩阵，Κι为第i 条规则的模糊增益矩阵，如)卽"+'^+"'为可控输出向量；C =设1" 0]1，6:=[0 /iiSji，Uf(t)为 模糊前馈控制部分，目的是根据跟踪目标提供基准稳定;Ub(t)为模糊反馈控制部分，目的 是保证闭环系统的鲁棒稳定。5. 如权利要求2所述的变体飞行器变形协同飞行控制系统的建模仿真方法，其特征在 于，所述步骤五包括W下步骤： 步骤五十一，基于离散T-S模糊系统的离散模糊鲁棒He?控制方案的设计，对不确定连续 T-S模糊增广系统进行离散化，得到不确定离散T-S模糊增广系统，采用模糊Lyapunov函数 方法降低保守性，结合Non-PDC原理，提出一种新的DFRHC策略，具体的设计结构为：式中，Fi，Gi，i = 1，2，·，·Γ为相应维数的常值矩阵； 步骤五十二，基于离散T-S模糊系统的离散模糊鲁棒He?控制方案代入不确定离散T-S模 糊增广系统，得到闭环系统：对于不确定离散T-S模糊闭环系统，给定常数γ>0,如果存在对称正定实矩阵Ρι = ΡιΤ >〇4 = 1，2，。.，'，满足：式中，*表示对称矩阵中相关元素的对应转置元素，则闭环系统全局渐近稳定且具有He? 性能指标T ; 对于不确定离散T-S模糊增广系统，给定常数γ >0,存在DFRHC，使得闭环系统全 局渐近稳定且具有Η ?性能指标γ的充分条件是存在实矩阵 皆=if >0,巧，巧，《=(搂f <0,磅=(每)了，^人^/ = ]，2，...，,-，满足下述12〇条件：
【文档编号】G06F17/50GK105938370SQ201610283561
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】姚克明, 殷明, 贾子彦, 范鑫, 张红琴, 潘玲佼, 罗印升, 戴夏娟, 吴全玉, 王小兰, 朱雷, 王九龙
【申请人】江苏理工学院