一种btt飞行器的分布式复合抗干扰姿态控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种BTT飞行器的分布式复合抗干扰自动驾驶仪及其设计方法，适用于BTT飞行器高精度抗干扰姿态控制。该发明针对BTT飞行器对象的时变性、不确定性、非线性强耦合及飞行参数摄动的技术难点，首先，采用跟踪微分器技术对导引命令进行滤波处理，以获得平滑的过渡过程；其次，将对象模型的时变不确定项以及非线性强耦合项当做对象的内部干扰，并和外部干扰集成为集总干扰(lumpeddisturbance)，设计扩张状态观测器(ESO)对集总干扰予以估计；最后，设计分布式复合抗干扰自动驾驶仪，设计适当的控制参数保证闭环系统的稳定性并提高系统的抗干扰能力和跟踪精度，进而解决BTT飞行器姿态控制的技术难点。
【专利说明】一种BTT飞行器的分布式复合抗干扰姿态控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种倾斜转弯(BTT)飞行器的分布式复合抗干扰姿态控制器及其构造方法，具体为一种基于跟踪微分器、状态反馈和扩张状态观测器的BTT飞行器姿态控制方法，属于航空器姿态控制的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]倾斜转弯(BTT)技术是当今世界飞行器控制【技术领域】内用来提高飞行器机动性能的一项关键技术。所谓倾斜转弯，即通过倾斜来实现转弯。而侧滑转弯(STT)控制方式则通过侧滑来实现转弯。STT控制方式对于中近程小机动的飞行器较为适宜，但是对于超大机动格斗飞行器和远程拦截空空飞行器而言，要求飞行器阻力小、机动过载大或升阻比大，此时BTT控制机制才是合适的选择。一般而言，BTT飞行器在机动性、稳定性、升阻比等方面较STT飞行器都有显著的优势。
[0003]BTT控制方式作为先进的飞行器控制策略有着诸多优点，但是伴随飞行器性能的提升，其控制系统的设计难度也随之加大。BTT飞行器实质上是一个具有较大不确定性的强耦合时变非线性系统，设计难度主要包括不确定性、时变性和强耦合性:1)时变性及不确定性:由于BTT飞行器飞行任务中对弹体飞行空域和飞行速度的要求不断提高，气动参数的摄动也更为严重，同时阵风、脉动气流干扰等外界干扰也会引起气动参数的变化；此外，气动参数在整个飞行包线内的取值并不是完全确定的，可以确定的只是有限个工作点处的气动参数取值。因此，BTT飞行器具有强时变性和不确定性。2)强耦合性:BTT飞行器通过最大升力面的快速旋转来提高飞行器的机动性能，其气动外形和控制策略的特点决定了 BTT飞行器的数学模型存在运动学交叉耦合、惯性交叉耦合以及气动交叉耦合等。此外，BTT飞行器的滚转速度要远大于STT飞行器，这就造成了俯仰通道与偏航通道的耦合十分强烈。
[0004]上述这些控制难点往往导致经典的控制方法(如PID控制)无法取得令人满意的控制效果。因此，一些先进的控制方法相继被提出用以解决BTT飞行器的姿态控制难题，包括鲁棒控制、模型预测控制、自适应控制、H00控制、神经网络控制方法等，这些方法较PID控制在性能方面有所提高，但在强干扰作用下的控制性能仍然差强人意。文献(Fu LC, Chang WD, Yang JH, Kuo TS.Adaptive robust bank-to-turn missileautopilot design using neural networks[J].Journal of Guidance Control andDynamics, 1997，20(2):346-354)提出了一种基于神经网络算法的BTT飞行器自动驾驶仪设计方法，在理论上具有优越的控制性能，但是由于神经网络算法本身过于复杂，不利于工程应用；文献(Tan F，Duan GR.Global stabilizing controller design for lineartime-varying systems and its application on BTT missiles[J].Journal of SystemsEngineering and Electronics, 2008, 19 (6): 1178-1184)提出了基于特征结构配置理论的一种新的调度控制方法，指令跟踪性能和稳定性可以得到一定的保证，但是缺乏有效的抗干扰策略和机制；文献(Li SH, Yang J.Robust autopilot design for bank-to-turnmissiles using disturbance observers[J].1EEE Transactions on Aerospace andElectronic Systems, 2013,49(1): 558-579)提出了基于干扰观测器的BTT飞行器鲁棒自动驾驶仪设计方法，利用干扰观测器消除了非线性耦合和外部干扰，具有优越的抗干扰性能，但是缺少指令噪声滤波预处理，没有预先安排指令信号的过渡过程，在输入信号时变且被随机噪声所污染的情况下，跟踪性能会受到一定的影响。
【发明内容】
[0005]技术问题:
[0006]本发明解决的技术问题是:针对BTT飞行器对象时变性、不确定性及强耦合性的特点，设计了一种基于跟踪微分器、状态反馈控制和扩张状态观测器的BTT飞行器分布式复合抗干扰姿态控制方法，使BTT飞行器自动驾驶仪具有良好的鲁棒性、抗耦合干扰性能、抗时变及不确定性能力以及满意的导引跟踪控制精度。
[0007]技术方案:
[0008]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0009]一种BTT飞行器的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于，步骤如下:
[0010]步骤一、采用跟踪微分器对导引指令信号进行噪声滤波处理，以获得平滑的过渡过程；
[0011]步骤二、对姿态的动力学数学模型进行拆分变换，将模型中除线性项之外的非线性耦合项视为动力学数学模型的不匹配干扰，统一成标准模型；
[0012]步骤三、根据BTT飞行器在各工作点处的传递函数及性能指标选取标称工作点，而其余工作点和标称工作点的偏差表征为参数不确定性的时变项；
[0013]步骤四、将上述时变项、非线性耦合项一起整合成标准模型的内部干扰，整合后的内部干扰和工程实际中的外部干扰一起构成集总干扰，并通过扩张状态观测器进行实时估计；
[0014]步骤五、基于前述跟踪微分器和扩张状态观测器，设计具有闭环控制系统的复合抗干扰姿态控制器，对飞行姿态实时控制。
[0015]在闭环控制系统中，选取合适的反馈控制增益、干扰补偿增益和参考信号前馈增益，并分析闭环系统的稳定性、抗干扰性能和跟踪性能。
[0016]所述步骤一中的跟踪微分器如下:
[0017
【权利要求】
1.一种BTT飞行器的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于，步骤如下: 步骤一、采用跟踪微分器对导引指令信号进行噪声滤波处理，以获得平滑的过渡过程; 步骤二、对姿态的动力学数学模型进行拆分变换，将模型中除线性项之外的非线性耦合项视为动力学数学模型的不匹配干扰，统一成标准模型； 步骤三、根据BTT飞行器在各工作点处的传递函数及性能指标选取标称工作点，而其余工作点和标称工作点的偏差表征为参数不确定性的时变项； 步骤四、将上述时变项、非线性耦合项一起整合成标准模型的内部干扰，整合后的内部干扰和工程实际中的外部干扰一起构成集总干扰，并通过扩张状态观测器进行实时估计；步骤五、基于前述跟踪微分器和扩张状态观测器，设计具有闭环控制系统的复合抗干扰姿态控制器，对飞行姿态实时控制。
2.根据权利要求1所述的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于:所述步骤一中的跟踪微分器如下:
3.根据权利要求1所述的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于:将BTT飞行器各通道姿态的动力学数学模型用紧凑形式表达为: 对于偏航通道，紧凑形式为:
4.根据权利要求1所述的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于:所述步骤三的性能指标式为:
5.根据权利要求1所述的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于:在所述的步骤四中，对各通道姿态系统构造如下扩张状态观测器:
6.根据权利要求1所述的分布式复合抗干扰姿态控制方法，其特征在于:为补偿BTT飞行器偏航通道集总干扰的不利影响，设计如下的复合抗干扰姿态控制器:
δ y = u = Kxx+Kzz' +KrV1, 其中Kx为偏航通道自动驾驶仪的反馈控制增益，Kz为自动驾驶仪的干扰补偿增益，Kr为自动驾驶仪的参考信号前馈增益。
【文档编号】G05B13/04GK103558857SQ201310566977
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月14日 优先权日:2013年11月14日
【发明者】杨俊 , 吴超, 李世华, 李娟 , 兰奇逊, 赵振华, 王军晓 申请人:东南大学