固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置与流程

本发明属于飞行器控制技术领域，具体涉及一种固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置。

背景技术：

固定翼飞行器纵向通道控制主要是指通过控制俯仰角保证飞行器以给定高度进行定高飞行。总能量控制系统（totalenergycontrolsystem，tecs）是基于能量控制与分配的思想，将高度控制与空速控制进行解耦，由油门控制总能量，利用升降舵（俯仰角）控制势能和动能之间的能量转换。

在总能量控制系统中，推力和阻力大小共同决定了总能量的变化率，并且认为在飞行过程中飞行状态变化时，飞行器所受阻力不变。然而，实际上阻力不仅仅受到飞行状态变化的影响，同时也受到外界环境变化，如风速的影响。同样的，在通过升降舵对势能与动能进行分配的同时，也不可避免地会发生能量损失，其大小往往也难以用精确的模型进行表述。

技术实现要素：

针对现有固定翼飞行器纵向通道的总能量控制系统中抗扰动能力较差的问题，本发明提出一种固定翼飞行器纵向通道控制方法及装置。本发明，能够有效提高系统整体的抗扰动能力，提高鲁棒性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

固定翼飞行器纵向通道控制方法，包括：

第一步，将未建模部分、参数不确定性和外部干扰统称为总扰动，用扩张状态表示，建立含总扰动的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型；

第二步，对于输入的高度信号，采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器对高度信号进行平滑滤波处理，输出参考高度信号及其微分信号，对于输入的速度信号，采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器对速度信号进行平滑滤波处理，输出参考速度信号及其微分信号，并将其转换为单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率；

第三步，以参考总能量、参考总能量变化率、实际总能量和实际总能量变化率作为输入，设计总能量通道的双闭环串联型pid控制器，其中总能量控制为外环，总能量的变化率控制为内环；

第四步，以参考能量分配、参考能量分配变化率、实际能量分配和实际能量分配变化率作为输入，设计能量分配通道的双闭环串联型pid控制器；

第五步，分别设计总能量通道和能量分配通道的二阶扩张状态观测器，利用反馈的实际状态量和执行器延时处理后的控制量，对第一步中建立的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型中的总扰动进行估计，并对控制器输出进行扰动补偿，得到最终控制量。

进一步地，本发明第一步中，选择实际总能量和实际能量分配作为状态变量，建立固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型为：：

其中，和分别为总能量通道控制量和能量分配通道控制量的放大倍数估计参数，为油门信号延迟时间后的输出值，为升降舵量延迟时间后的输出值，为总能量通道的未建模部分以及外部扰动的总和，为能量分配通道的未建模部分以及外部扰动的总和，和分别为总能量通道和能量分配通道的外部扰动。

进一步地，本发明第二步中采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器，如下：

其中，为输入的高度信号，为参考高度信号，为参考高度的微分信号，为高度跟踪微分器的滤波因子，为高度跟踪微分器的快速因子，为中间变量，为最速控制综合函数；

采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器，如下：

其中，为输入的速度信号，为参考速度信号，为参考速度的微分信号，为速度跟踪微分器的快速因子，为速度跟踪微分器的滤波因子，为中间变量，为最速控制综合函数。

进一步地，本发明第二步中，单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率，转换公式为：

。

进一步地，本发明第三步中总能量通道的双闭环串联型pid控制器的表达公式如下：

其中，为总能量误差，为总能量变化率误差，为总能量通道的双闭环串联型pid控制器输出，为总能量通道的双闭环串联型pid控制器的pid控制参数，根据经验取值。在本发明一实施例中，的取值范围分别为［1，6］，［1，2］，0，［0，1］。

进一步地，本发明第四步中，能量分配通道的双闭环串联型pid控制器的表达公式如下：

其中，为能量分配误差，为能量分配变化率误差，为能量分配通道的双闭环串联型pid控制器输出，为能量分配通道的双闭环串联型pid控制器的pid控制参数，根据经验取值。在本发明一实施例中，的取值范围分别为［0，1］，［4，6］，0，［7，10］。

进一步地，本发明第五步中，总能量通道的二阶扩张状态观测器，如下：

其中，为扩张状态观测器对总能量的估计值，表示总能量估计误差，表示扩张状态观测器对总能量通道的未建模部分以及外部扰动的总和的估计值，为油门信号延时时间后的值，和为总能量通道的扩张状态观测器参数，为原点附近具有线性段的连续的幂次函数，为线性段的区间长度，取0.05。关于、和可以根据经验随机选取正整数。在本发明的一仿真实施例中，取100，取100，取400。

进一步地，本发明第五步中，能量分配控制通道的二阶扩张状态观测器，如下：

其中，为扩张状态观测器对能量分配的估计值，表示能量分配估计误差，表示扩张状态观测器对能量分配通道的未建模部分以及外部扰动的总和的估计值，为升降舵量延时时间后的值，和为能量分配通道的扩张状态观测器参数。关于、和可以根据经验随机选取正整数。在本发明的一仿真实施例中，取500，取200，取400。

进一步地，本发明第五步中，最终控制量通过下式获得：

其中，和为总能量通道和能量分配通道的双闭环串联型pid控制器输出，和分别为油门信号和升降舵量经过扰动补偿后的最终控制量。

本发明提供一种固定翼飞行器纵向通道控制装置，包括：

第一模块，用于建立含总扰动的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型；

第二模块，用于对输入的高度信号，采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器对高度信号进行平滑滤波处理，输出参考高度信号及其微分信号，对于输入的速度信号，采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器对速度信号进行平滑滤波处理，输出参考速度信号及其微分信号，并将其转换为单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率；

第三模块，用于以参考总能量、参考总能量变化率、实际总能量和实际总能量变化率作为输入，设计总能量通道的双闭环串联型pid控制器，其中总能量控制为外环，总能量的变化率控制为内环；

第四模块，用于以参考能量分配、参考能量分配变化率、实际能量分配和实际能量分配变化率作为输入，设计能量分配通道的双闭环串联型pid控制器；

第五模块，用于设计总能量通道和能量分配通道的二阶扩张状态观测器，利用反馈的实际状态量和执行器延时处理后的控制量，对第一模块中建立的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型中的总扰动进行估计，并对控制器输出进行扰动补偿，得到最终控制量。

本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现固定翼飞行器纵向通道控制方法的步骤。

本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现固定翼飞行器纵向通道控制方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明基于自抗扰控制技术的固定翼飞行器纵向通道控制方法，建立含有未建模动态、外部干扰的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型，根据输入信号的特点选用不同的跟踪微分器对信号进行平滑处理，利用处理后的信号设计pid控制器，再利用延时处理后的控制量设计观测器，将扩张状态视为系统总扰动进行实时估计，对控制器输出的控制量进行扰动补偿，得到最终的控制量，增强控制系统的抗扰动能力。

本发明完成了基于自抗扰控制技术的固定翼无人机纵向通道控制，在较大干扰的情况下，实现了良好的控制器动态性能，无稳态误差，提高了控制系统的鲁棒性和控制精度。

附图说明

图1为本发明一实施例的流程图；

图2为本发明一实施例中固定翼飞行器纵向通道自抗扰控制器的结构图；

图3为本发明一实施例中在一定噪声条件下用构型的最速控制综合函数跟踪正弦信号图，其快速因子为5，滤波因子为0.01；

图4为本发明一实施例中在一定噪声条件下用构型的最速控制综合函数跟踪正弦信号图，其快速因子为1，滤波因子为0.1；

图5为本发明一实施例中的双闭环串联型pid控制器结构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

参照图1和图2，本发明一实施例中提供的固定翼飞行器纵向通道控制方法，包括：

第一步，将未建模部分、参数不确定性和外部干扰统称为总扰动，用扩张状态表示，建立含总扰动的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型。

飞行器总能量包括动能和势能，可以表示为：

其中，为飞行器总能量，为飞行器动能，为飞行器势能，为飞行器质量，为真空速，为重力加速度，为飞行器的飞行高度。

因此，飞行器单位重量的总能量，

在飞行器纵向平面上，有

其中，为高度的微分，即高度方向的速度，为航迹角，为推力，为阻力。

对飞行器单位重量的总能量进行微分，即

进一步可以得出

因此，在认为飞行阻力不变的情况下，可通过控制油门改变推力大小，进而实现对飞行器总能量变化率的控制。

类似的，通过操纵升降舵，可以改变飞行器总能量在动能和势能之间的分配关系，实现动能与势能的相互转换。定义飞行器单位重量的能量分配关系为飞行器势能与动能之差，即

对上式求导可得飞行器能量分配变化率的表达式为

进一步可表示为

可知，在推力和阻力不变的情况下，可通过升降舵控制航迹角，进而实现对飞行器能量分配变化率的控制。

因此，本发明一实施例的第一步中选择实际总能量和实际能量分配作为状态变量，所构建的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型为：

其中，和分别为总能量通道控制量和能量分配通道控制量的放大倍数估计参数，为油门信号延迟时间后的输出值，为升降舵量延迟时间后的输出值，为总能量通道的未建模部分以及外部扰动的总和，为能量分配通道的未建模部分以及外部扰动的总和，和分别为总能量通道和能量分配通道的外部扰动。

第二步，对于输入的高度信号，采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器对高度信号进行平滑滤波处理，输出参考高度信号及其微分信号，对于输入的速度信号，采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器对速度信号进行平滑滤波处理，输出参考速度信号及其微分信号，并将其转换为单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率。

本发明根据输入信号的特点，选取不同的跟踪微分器对信号进行平滑处理。固定翼飞行器纵向通道的控制主要是指通过控制俯仰角实现对高度的控制，而在总能量控制系统中，还包括了对动能（速度）和势能（高度）的控制与分配，因此，本发明中的纵向通道控制也包括对空速的控制。

本发明一实施例第二步中采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器，如下：

其中，为输入的高度信号，为参考高度信号，为参考高度的微分信号，为高度跟踪微分器的滤波因子，为高度跟踪微分器的快速因子，为中间变量，为最速控制综合函数。

参照图3，本发明一实施例中采用快速因子为5，滤波因子为0.01构建高度跟踪微分器的最速控制综合函数正弦信号。

本发明一实施例第二步中采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器，如下：

其中，为输入的速度信号，为参考速度信号，为参考速度的微分信号，为速度跟踪微分器的快速因子，为速度跟踪微分器的滤波因子，为中间变量，为最速控制综合函数。

参照图4，本发明一实施例中采用快速因子为1，滤波因子为0.1构建速度跟踪微分器的最速控制综合函数正弦信号。

高度跟踪微分器、速度跟踪微分器输出的参考高度信号及其微分信号、参考速度信号及其微分信号，将其转换为单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率，转换公式为：

。

第三步，以参考总能量、参考总能量变化率、实际总能量和实际总能量变化率作为输入，设计总能量通道的双闭环串联型pid控制器，其中总能量控制为外环，总能量的变化率控制为内环。

在飞行过程中，飞行器总能量的变化主要是由推力的变化来控制的。参照图5，本发明一实施例第三步中所设计的总能量通道的双闭环串联型pid控制器的表达公式如下：

其中，为总能量误差，为总能量变化率误差，为总能量通道的双闭环串联型pid控制器输出，为总能量通道的双闭环串联型pid控制器的pid控制参数。

第四步，以参考能量分配、参考能量分配变化率、实际能量分配和实际能量分配变化率作为输入，设计能量分配通道的双闭环串联型pid控制器，如下：

参照图5，本发明一实施例第四步中能量分配通道的双闭环串联型pid控制器的表达公式如下：

其中，为能量分配误差，为能量分配变化率误差，为能量分配通道的双闭环串联型pid控制器输出，为能量分配通道的双闭环串联型pid控制器的pid控制参数。

第五步，分别设计总能量通道和能量分配通道的二阶扩张状态观测器，利用反馈的实际状态量和执行器延时处理后的控制量，对第一步中建立的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型中的总扰动进行估计，并对控制器输出进行扰动补偿，得到最终控制量。

本发明一实施例第五步中所设计的总能量通道的二阶扩张状态观测器，如下：

其中，为扩张状态观测器对总能量的估计值，表示总能量估计误差，表示扩张状态观测器对总能量通道的未建模部分以及外部扰动的总和的估计值，为油门信号延时时间后的值，和为总能量通道的扩张状态观测器参数，为原点附近具有线性段的连续的幂次函数，为线性段的区间长度，取0.05。

本发明一实施例第五步中所设计的能量分配控制通道的二阶扩张状态观测器，如下：

其中，为扩张状态观测器对能量分配的估计值，表示能量分配估计误差，表示扩张状态观测器对能量分配通道的未建模部分以及外部扰动的总和的估计值，为升降舵量延时时间后的值，和为能量分配通道的扩张状态观测器参数。

为原点附近具有线性段的连续的幂次函数，其表达式如下

其中，为线性段的区间长度。本发明中总能量控制通道以及能量分配控制通道的扩张状态观测器函数的参数均取0.05。

通过总能量通道和能量分配控制通道的二阶扩张状态观测器得到对总扰动和的估计量和后，对控制器输出实施补偿，有

其中，和为总能量通道和能量分配通道的双闭环串联型pid控制器输出，和分别为油门信号和升降舵量经过扰动补偿后的最终控制量。

本发明一实施例提供一种固定翼飞行器纵向通道控制装置，包括：

第一模块，用于建立含总扰动的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型；

第二模块，用于对输入的高度信号，采用最速控制综合函数构建高度跟踪微分器对高度信号进行平滑滤波处理，输出参考高度信号及其微分信号，对于输入的速度信号，采用最速控制综合函数构建速度跟踪微分器对速度信号进行平滑滤波处理，输出参考速度信号及其微分信号，并将其转换为单位重量的参考总能量、参考总能量变化率、参考能量分配和参考能量分配变化率；

第三模块，用于以参考总能量、参考总能量变化率、实际总能量和实际总能量变化率作为输入，设计总能量通道的双闭环串联型pid控制器，其中总能量控制为外环，总能量的变化率控制为内环；

第四模块，用于以参考能量分配、参考能量分配变化率、实际能量分配和实际能量分配变化率作为输入，设计能量分配通道的双闭环串联型pid控制器；

第五模块，用于设计总能量通道和能量分配通道的二阶扩张状态观测器，利用反馈的实际状态量和执行器延时处理后的控制量，对第一模块中建立的固定翼飞行器纵向通道扩张状态模型中的总扰动进行估计，并对控制器输出进行扰动补偿，得到最终控制量。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。