基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制方法

本发明属于飞行器姿态自适应控制领域，涉及一种基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制方法。

背景技术：

1、飞机在飞行过程中会受到多种不确定因素的影响，包括空气动力学特性变化、飞行结构变化、控制舵面失效等，多源不确定性会导致系统参数或模型不确定，因而很难得到能够精确描述飞机系统的数学模型。随着飞行任务的日益复杂，对控制系统也提出了高机动性和高可靠性的要求，因此应用传统的飞行控制系统设计方法不能很好地克服不确定动态或满足相关性能指标。为使飞机在面对多源不确定性时仍能保持良好的飞行品质，控制系统的设计需实时处理所面临的不确定动态。

2、针对上述问题，自适应控制提供了一条有效途径。在无法得到精确模型的情况下，自适应控制技术可以依据系统的输入输出情况在线调整控制器参数，及时调整控制信号，改善控制系统性能。最小二乘自适应控制作为鲁棒自适应控制技术之一，将最小二乘法结合到自适应控制中以最小化不确定性近似误差，相比于传统的模型参考自适应控制技术具有更好的鲁棒性，显示出了处理不确定系统的良好应用前景。鉴于目前最小二乘自适应技术的研究多考虑匹配不确定性的影响，且假设其可以通过线性参数化进行近似，因此将现有的最小二乘自适应控制技术直接应用于不匹配不确定系统具有控制效果不佳的局限性。针对这一问题，提出一种基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制方法。

3、近年来，由于科学技术的发展以及控制要求的提升，提升飞行控制系统性能的控制方案研究成为飞行控制领域的一大研究热点。滤波方案由于具有平滑瞬态性能的优势，在提升飞行控制瞬态性能的研究中受到青睐。目前已经提出了许多结合滤波设计的飞行控制方法，包括采用滤波项对自适应律、参考模型、控制指令等进行修正。不同于以上修正方案，本发明提出基于滤波器的修正预测模型法并将其应用于最小二乘自适应控制研究中。此外，由于自适应控制的发展，结合集论理论的模型参考自适应律改进方案在提升控制系统性能的研究中受到广泛关注。这类基于集论模型参考自适应律的思路，通过将误差的权重欧几里得范数限制在某个预先定义的范围内，在不改变原有控制系统基本控制框架的基础上达到保证系统性能的目的，具有易于实现的优点。基于此，本发明提出将集论理论结合到最小二乘自适应控制的研究中，结合滤波修正法对控制系统的性能进行进一步的提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提出一种基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制研究方法，提升了应用最小二乘自适应控制方法处理不确定性飞机系统的姿态控制性能。

2、本发明的技术解决方案是，一种基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制研究，包括以下步骤：

3、一)、建立飞机纵向运动模型库，包括系统正常情况下的飞机纵向运动模型、不确定性情况下的飞机纵向运动模型和标称控制器作用下的参考纵向运动模型。具体步骤如下：

4、(1)建立系统正常情况下的纵向运动模型：根据纵向非线性动力学方程，建立飞机的纵向运动线性化数学模型；

5、(2)建立不确定情况下的飞机纵向运动模型：将不确定性以不匹配形式考虑到飞机纵向运动模型中；

6、(3)建立标称控制器作用下的参考纵向运动模型：将标称控制器应用到正常情况下的纵向运动模型中，得到参考纵向运动模型。

7、二)、对具有不确定性的系统，需要设计有效的自适应控制方案来抵消或者抑制不确定性对系统的影响，以实现不确定被控对象对参考模型的跟踪目标，控制方案设计具体步骤如下：

8、(1)在设计自适应控制器之前，需先对不确定性进行处理。首先采用中间变量对不匹配不确定性进行转换，然后对转换所得采用径向基函数神经网络进行近似，从而得到不匹配不确定性的等价形式，使之能够通过控制器的设计进行补偿或抵消。

9、(2)设计能够补偿不确定性影响的最小二乘自适应控制方案；

10、(3)考虑到系统响应中可能存在的高频振荡，提出采用频率选择方案对预测模型进行修正；

11、(4)考虑到瞬态性能的提升可能带来的系统稳态性能的下降，提出采用集论理论对最小二乘自适应律进行修正。

12、三)、针对不确定性飞机纵向运动模型，采用如上设计的自适应控制器以及用于控制器参数更新的mp-stls自适应律，测量并保存飞机的状态输出，将该数据与模型库中参考纵向运动模型的输出数据进行对比，计算跟踪误差，根据系统状态、跟踪误差以及控制输入的响应情况，评定所发明的控制方案对不确定性飞机系统姿态控制的有效性。

13、本发明的有益效果在于：在解决不确定性飞机姿态控制问题中，基于修正预测模型的集论最小二乘自适应方案取得了非常好的控制效果，主要表现在它能够抑制基于预测模型的干扰系统中存在的高频振荡，而且能够实现相比于一些经典的最小二乘自适应控制方案更好的跟踪性能，实现稳态与瞬态性能的综合提升。

技术特征：

1.基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制方法，其特征在于：通过将滤波设计和集论理论结合到最小二乘自适应控制中的方法，能够有效地抑制多源不确定性对飞行姿态控制性能的影响，显著提升系统的瞬态与稳态性能。

2.基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制方法，实现步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种基于修正预测模型和集论最小二乘自适应律的飞行姿态控制方法，用于实现飞机在不确定情况下的跟踪控制。该方法采用预测模型估计状态导数信号以构建最小二乘自适应律；继而基于频率选择方案构造滤波项以修正预测模型，从而滤除系统响应中的高频内容；并结合集论思想，提出集论最小二乘自适应律，通过将状态预测误差的权重欧几里得范数限制在用户预定义的范围内来保证预测模型的估计性能，以提升不确定飞机系统的姿态跟踪性能。通过飞行姿态控制仿真，证明将滤波设计和集论理论结合到最小二乘自适应控制中的方法能够有效抑制多源不确定性对飞行姿态控制性能的影响，显著提升飞行姿态控制系统的稳态和瞬态性能。

技术研发人员：谢蓉,何欢欢,范雪
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13