一种平流层飞艇的制导控制一体化及控制分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法，针对平流层飞艇的 飞行特点，设计一种制导控制一体化及控制分配的方法，为过驱动平流层飞艇提供一种跟 踪平面路径并且在出现允许故障时仍然保证完成飞行指令的新控制方法，属于自动控制技 术领域。
【背景技术】
[0002] 传统的飞行控制系统设计通常分解为制导环节和姿态控制环节，并对运两个环节 分别进行设计。但实际上制导环节和姿态控制环节并不相互独立，因此对制导和姿态控制 的整体系统进行控制设计可W提高最终制导品质。通常将在反馈控制设计中使用了姿态、 过载和视线角速度等综合信息W提高最终制导品质的方法称为制导控制一体化设计方法 (简称一体化）。
[0003] -体化设计方法在20世纪80年代提出。目前，国内外很多学者已进行了大量的 研究工作。现有文献中一体化设计所采用模型主要可分为相对位置模型和视线角模型。本 发明"一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法"，提出了基于平流层飞艇动力学非 线性模型的平面路径跟踪控制方法。该方法综合了基于导航的路径跟踪算法和轨迹线性化 理论。由该方法控制的闭环系统是渐近稳定的，并且不存在控制奇异点，运就为自治飞艇的 巡航飞行工程实现提供了有效的设计手段。
[0004] 平流层飞艇作为一种新型信息平台，具有滞空时间长、使用成本低、侦察视野宽、 无线通信及时准备等显著优点，可W用来进行长时间、高精度地对地观测、通信中继、区域 检测等，具有广阔的军事和民用前景。平流层飞艇一般使用多种操纵机构进行飞行控制，多 种操纵机构需要同时协调作用，运对其飞行控制协调的设计带来巨大挑战，因此平流层飞 艇的控制分配问题逐渐受到重视。因此本文针对可提高飞艇飞行安全性，操纵性和可靠性 的过驱动模型的控制分配问题。本文为保证工程实用性，采用了考虑优化问题和广义逆算 法的控制分配方法，确保当执行器出现舱面漂浮卡死等意外故障时，仍可有效保证各分配 指令到达各个执行机构。
【发明内容】
[0005] (1)目的：本发明的目的在于提供一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方 法，控制工程师可W按照该方法并结合实际参数实现自治飞艇的巡航飞行。
[0006] 似技术方案：本发明"一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法"，可W 分解为基于一体化设计方法的上层控制律设计和下层控制分配算法设计两部分，分层结构 设计可W简化控制系统，避免不必要的禪合问题。其主要内容及程序是：先根据控制目标定 义每部分的跟踪误差，然后对误差连续求导至方程中显式出现控制量。通过设计控制律使 跟踪误差收敛到零，并W此解出各部分控制应当满足的方程，最后综合所有方程计算实际 的控制量。选取平面位置，速度，俯仰角，滚转角，和高度五个控制目标。依据上述准则进行 控制律设计求解，得到上层虚拟控制量；下层控制分配先确定系统权值矩阵，根据优化准则 求解实际控制量，最终得到各个执行机构最终控制量。实际应用中，飞艇的位置、姿态、速度 等状态量由组合惯导等传感器测量得到，将由该方法计算得到的控制量传输至舱机和推进 螺旋奖等执行装置即可实现平流层飞艇对平面路径的跟踪功能。
[0007] 本发明"一种平流层飞艇制导控制一体化及控制分配方法"，其具体步骤如下： 步骤一建立平流层飞艇数学模型：动力学模型和运动学模型； 步骤二给定期望平面路径唉i;计算位置跟踪误差！ii% ;设计控制律； 步骤=给定期望速度跟踪值51:;计算速度误差雨;设计速度控制律； 步骤四给定期望俯仰角;:胃^ ;计算俯仰角跟踪误差;设计俯仰姿态控制律； 步骤五给定期望滚转角;计算滚转角跟踪误差;设计滚转姿态控制律； 步骤六给定期望高度;计算高度跟踪误差ip设计高度控制律； 步骤屯综合求解步骤二至步骤六，求得系统上层控制律； 步骤八建立下层控制分配的优化准则； 步骤九确定权重矩阵r; 步骤十求解控制分配的方程组，输出各执行器的实际控制量。
[0008] 其中，在步骤一中所述的建立平流层飞艇数学模型方法如下： 1) 平流层飞艇运动学方程表示如下：
其中，；
巧为状 态方程的状态向量；其中为飞艇质必在地面坐标系下的位置坐标， 分别为滚转角，俯仰角和偏航角；为艇体坐标系下原点的速度矢量在艇体坐标系 下的投影，为艇体坐标系下飞艇角速度矢量在艇体坐标系下的投影；;是 非线性动态函数； 2) 平流层飞艇动力学方程表示如下：
其中，;Ulliglp是关于变量胃肖11|前非线性动态函数，是非线性控制分配函 数；if为平流层飞艇控制输入量矩阵。
[0009] 其中，在步骤二中所述的给定期望平面路径二0 ;所述的设 计控制律使得点在期望几何路径X(A% > 0二0上，取平流层飞艇体系下一点
，对位置跟踪误差求导得：
，方程中 不包含控制量； 继续对误差求二阶导可得到系数不为0的控制量；因此系统相对阶为2,则设计控制律 满巧
由化rwitz判据可知平面位置跟踪 误差投P -> 0。
[0010] 其中，在步骤S中所述的给定期望速度，则速度误差为磬一%;;所述的 设计控制规律，对速度误差求一阶导数，即可得到系数不为0的控制量；设计控制律使得
[0011] 其中，在步骤四中所述的给定期望俯仰角二0,所述的俯仰角跟踪误差为
对俯仰角跟踪误差求一阶导数，方程中不包含控 制量；系统相对阶为2,则继续对误差求二阶导数可得到系数不为0的控制量，则设计控制
[0012] 其中，在步骤五中所述的给定期望滚转角4二0，所述的滚转角跟踪误差为
;对滚转角跟踪误差求一阶导数，方程中不包含控制 量； 系统相对阶为2,则继续对误差求二阶导数可得到系数不为0的控制量，则设计控制律 满磨
[001引其中，在步骤六中所述的给定期望高度Ilf,所述的高度跟踪误差为戸# ;所述的控制律满足
[0014] 其中，在步骤屯中所述的求解步骤二至步骤六，求得系统上层控制律，如下方程 组：
[0015] 其中，在步骤八中所述的建立控制分配的优化准则方法如下： 考虑到工程实际应用，利用较直接的控制分配方法伪逆方法；因此可将该最优化问题 表示为：
约束条件为；
[0016] 其中，在步骤九中所述的确定权重矩阵舜：其中
为正定的加权对角矩阵；具体可表示如下：
其中，通过调整权重矩阵5蒙'，来减少对应的执行器的权值，将故障分配在剩余完好的 执行器机构中
卽i表执行机构中可靠性最低的机构的故 障率。
[0017] 其中，在步骤十中所述的求解控制分配的方程组，输出各执行器的实际控制量，根 据分配准则及飞艇动力学方程求解可得W下方程，可得实际控制输入量为：
[001引 0)优点及效果： 本发明"一种平流层飞艇的制导控制一体化及控制分配方法"，与现有技术比，其优点 是： 1)该方法能够良好地跟踪平面路径，且在出现故障时能在线调整控制律，保证路径跟 踪方向。
[0019] 2)该方法能够保证闭环系统的渐近稳定性能，且不存在控制奇异点。
[0020] 3)该方法上层采取一体化控制方法，避免了内外环设计系统的禪合性； 4) 该方法可保证能量最优，当平流层飞艇出现故障时，在可分配的情况下可W实现控 制重分配，大大提高系统的可靠性； 5) 该方法采用分层设计结构，将复杂的系统分层后分别设计，避免了全系统控制分配 的复杂性，简化了控制计算。
[0021] 控制工程师在应用过程中可W根据实际飞艇给定任意期望巡航路径，且针对故障 有效重分配，并将由该方法计算得到的实际控制量直接传输至执行机构实现路径跟踪功 能。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明所述控制方法流程框图； 图2为本发明平流层飞艇示意图； 图3为本发明导航计算几何关系图； 巧巧= 1^,巧，％.巧_;、,?4、％f为依据飞艇动力学方程求解各控制目标控制律所得表达 式，其中職lifciifiw戀代表了平面位置，速度，俯仰角，滚转角，和高度五个控制目标； 繊rit为系统的权值矩阵 IlMlI为飞艇初始平面位置；同理分别为飞艇初始速度，俯仰角，滚转角及高度； 为飞艇的期望平面位置；同理为飞艇期望速度，俯仰角，滚转角及高度； i||讓II游IIKI为飞艇的螺旋奖推力； 在If*?为飞艇的方向舱，分为上下方向舱表不为瑪SgjisC;; 为飞艇的升降舱，左右升降舱分别表示为; 索i飘lii緣#为飞艇速度沿艇体坐标系的分解量； 护、穿? r共、璋? r为飞艇角速度沿艇体坐标系的分解量. 胃liift惯性坐标系； 銭巧§艇体坐标系； 沪为飞艇上某一参考点； 为飞艇参考点的速度方向； 1为期望路径参考点； .1:为期望路径参考点的切线方向； iilill为期望路径； 胃;ill为惯性坐标系下胃i讓I平面。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图，对本发明中的各部分设计方法作进一步的说明： 本发明"一种平流层飞艇的制导控制一体化及控制分配方法"，见图1所示，其具体步 骤如下： 步骤一：平流层运动学方程和动力学方程 1) 如图2所示，W自治飞艇浮屯、为原点建立艇体坐标系说〇、： ；W地面上任一点为原 点建立惯性坐标系illlli，其中原点i|为地面任意一点，胃1|指向北，eyy旨向东， 马指向地屯、； 2) 平流层飞艇运动学方程表示如下：
其中，
均为状 态方程的状态向量；其中