[發明專利]基于協調因子的高超聲速飛行器姿態運動協調控制方法

有效

• 申請號: 201710514169.2
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107272719B
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發明（設計）人: 王玉惠;牟金震;應竣棫;陳謀
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹蕓

1.一種基于協調因子的高超聲速飛行器姿態運動協調控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1)針對高超聲速飛行器姿態模型進行耦合分析，將姿態運動間的強耦合問題分解成角運動耦合、慣性耦合、舵面操縱耦合三種形式；基于耦合三種形式，將對應的狀態變量反饋到對應的舵面回路設計協調因子；具體過程如下：

步驟1-1)，建立高超聲速飛行器姿態系統數學模型；

其中表示Ω的導數，Ω表示系統慢回路狀態變量，Ω＝[α,β,μ]^T，α,β,μ分別是攻角、側滑角、滾轉角；表示ω的導數，ω表示系統快回路狀態變量，ω＝[p,q,r]^T，p,q,r分別為滾轉角速率、俯仰角速率、偏航角速率；M_c表示控制力矩，M_c＝g_fδu，其中g_fδ∈R^3×3是姿態系統快回路舵面分配矩陣，u＝[δ_e,δ_a,δ_r]^T，其中δ_e,δ_a,δ_r分別為左升降舵副翼舵、右升降舵副翼舵、方向舵；f_s＝[f_α,f_β,f_μ]^T，f_f＝[f_p,f_q,f_r]^T，

其中，M,V分別為飛行器的質量和速度；為動壓；S,c,b分別為參考面積、參考長度、和參考寬度；γ為航跡角；C_L,α為由攻角α引起的升力系數，C_Y,β為側滑角β引起的側立系數，g為地球引力系數，C_l,β，C_l,p，C_l.r為由β，p，r引起的升力系數，C_m,α，C_m,q為基本俯仰力矩系數和由q引起的俯仰力矩系數，C_D,α為由攻角α引起的阻力系數，C_n,β,C_n,p,C_n,r為由β，p，r引起的偏航力矩系數，X_cg為質心至參考力矩中心得距離，為快回路分配矩陣系數；I_xx為繞x軸慣性積，I_yy為繞y軸慣性積，I_zz為繞z軸慣性積，為I_xx的導數，為I_yy的導數，為I_zz的導數，f_s，f_f，g_s，g_f為姿態系統狀態矩陣，l_aero，m_aero，n_aero表示三通道力矩；

步驟1-2)對所建立的姿態系統模型進行耦合分析，將姿態的耦合分解成姿態角運動耦合、慣性耦合、舵面操縱耦合，

1)姿態角耦合模型：

在步驟1-1)中所建立的姿態系統模型，姿態角的耦合關系描述為：

其中分別表示為慢回路狀態變量攻角、側滑角與滾轉角的姿態角耦合；

2)慣性耦合

在步驟1-1)所在建立的姿態系統模型中，慣性耦合描述為：

其中f_cp，f_cq，f_cr表示快回路系統中由p，q，r引起的慣性耦合；

3)舵面操縱耦合

在步驟1-1)所建立的姿態系統模型中，舵面操縱耦合描述為：

其中g_l為滾轉通道操縱耦合，g_m為俯仰通道操縱耦合，g_n為偏航通道耦合，分別為右升舵副翼舵和方向舵引起的滾轉力矩系數，為右升降副翼舵引起的俯仰力矩系數，為方向舵引起的俯仰力矩系數，為右升降副翼舵引起的偏航力矩系數，為方向舵引起的偏航力矩系數；

G_f,δ為舵面分配矩陣，分別為左升降舵引起的側立系數、右升降舵副翼引起的側力系數與方向舵引起的側力系數，為左升降舵引起的偏航力矩系數、俯仰力矩系數、滾轉力矩系數與阻力系數，為右升降舵副翼引起的阻力系數，為方向舵引起的阻力系數，為左升降舵引起升力系數，為方向舵引起的升力系數，為右升降舵副翼引起的偏航力矩系數，為方向舵引起的偏航力矩系數，為俯仰通道舵面分配矩陣參數，g_q,δe，g_q,δa，g_q,δr為偏航通道舵面分配矩陣參數，為滾轉通道舵面分配矩陣參數；

步驟1-3)協調因子的設計；

對于步驟1-2)中的1)姿態角耦合，置為0，表示為psina-rcosα＝0，得出r＝ptanα，將r＝ptanα反饋到方向舵回路，因此協調因子設計為其中k₁＞0為設計參數，為方向舵協調因子第一個分量；

在步驟1-2)中1)攻角與滾轉角耦合關系描述為p-σr＜p≤pcosα+rsinα＜p+ρr，其中σ，ρ為約束參數；將β反饋到方向舵回路的調因子設計為：

其中|sina|≠Δ_α，k₂，k₃設計大于零的參數，為方向舵協調因子第二個分量；

對于步驟1-2)中的2)慣性耦合，將β,r反饋到副翼回路，將β,q反饋到方向舵回路，將α,p反饋到升降舵回路來增加阻尼力矩和穩定性力矩；協調因子設計為：

其中λ_e，λ_a，分別為對應狀態變量反饋到左升降舵、右升降副翼舵與方向舵的協調因子，k₄，k₅，k₆，k₇,k₈，k₉為大于零的設計參數；

對于步驟1-2)中的3)舵面操縱耦合，定義副翼舵與方向舵操縱耦合度為：

其中，

其中，為方向舵偏轉引起的三通道力矩系數變化增量系數，為右升降副翼舵偏轉引起的三通道力矩系數變化增量系數，S_cwr,S_cw表示為方向舵面積與垂尾面積；S,L為參考面積和參考長度；y_cwr方向舵面心到縱軸的距離；χ為后掠角；ξ為修正因子；滿足S_cwr≤S,S_cw≤S,y_cwr≤L,0＜ξ≤1,0＜cosχ≤1；n是副翼的相對執行效率；η_k,分別為外露翼的跟梢比和莖展比；f為外露翼與根稍比；舵面協調策略設計為δ_a＝Eδ_r,0＜E≤1，E為方向舵與右升降副翼舵的耦合度；

步驟2)基于時標分離原則，將姿態系統分解成慢回路和快回路；基于滑模方法和投影映射方法分別設計慢回路魯棒控制器和快回路魯棒控制器；

步驟3)將協調因子與魯棒控制器結合起來推導協調力矩，利用舵面分配矩陣，將協調力矩分配成舵面指令，利用舵面的協調偏轉實現姿態運動的協調。