[發明專利]一種彈性飛行器的自抗擾姿態控制方法

有效

• 申請號: 201811406240.6
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109508025B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 黃一;鐘聲;陳森;薛文超
• 申請（專利權）人: 中國科學院數學與系統科學研究院
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種彈性飛行器的自抗擾姿態控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟(一)：設計彈性濾波器

彈性濾波器只過濾掉除第一階彈性模態外的其它彈性模態，得到和的估計值y_1l,y_2l；其中，y_1w,y_2w為含有剛體模態和第一階彈性模態的混合量測；為俯仰角偏差；為俯仰角速度偏差；W′₁為測量元件處對應于第一階彈性模態的彈體斷面旋轉角；q₁為第一階彈性模態的廣義坐標；為第一階彈性模態的廣義速度；

步驟(二)：設計含混合位移及速度量測和彈性模型的擴張狀態觀測器ESO；

考慮包含剛體運動和第一階彈性模態的運動方程：

其中，為俯仰角加速度偏差；b₁,b₂為氣動力矩參數；b₃為俯仰角通道的控制增益系數；為控制輸入；為控制輸入的加速度；q_i為第i階彈性模態的廣義坐標；為第i階彈性模態的廣義速度；n為整數，取值為1,...,n；n為一個大于0的整數，代表需要考慮的彈性模態的個數；為第1階彈性模態的廣義加速度；ξ₁為第一階彈性模態的阻尼系數；ω₁為第一階彈性模態的固有頻率；D₃₁為發動機擺動偏角對1階彈性模態的影響系數；Q_iY為第i階彈性模態通道中干擾力對應的廣義力；

f₂(·)為由舵偏角加速度及剛體動態的耦合對彈性模態的影響；

其中，b″₃為發動機擺動偏角加速度對俯仰角的影響系數；b_1i,b_2i為第i階彈性模態對俯仰角的影響系數；D₁₁,D₂₁為與俯仰角速度和俯仰角成比例的等效剛性彈體的廣義氣動力對1階彈性模態的作用系數；D″₃₁為發動機角加速度對1階彈性模態的影響系數；α_W為風攻角；為俯仰通道擾動力矩；式(3)中，剛體運動是開環不穩定的，因此控制設計需要考慮兩個方面，一是剛體模態的比例-微分PD反饋，使剛體動態響應快而平穩；二是補償擾動，姿態運動的擾動體現在剛體運動方程(4)中的f₁(·)和w；f₁(·)是由舵偏角加速度及彈性動態的耦合對飛行姿態運動的影響，f₂(·)是由舵偏角加速度及剛體動態的耦合對彈性模態的影響；w是風和結構干擾及推力線偏斜、質心橫移和伺服機構的虛假擺動干擾力和干擾力矩對姿態運動的總和影響；又因為氣動力矩參數(b₁,b₂)也存在強不確定性，令為姿態運動的總擾動，則這個總擾動為進行姿態控制時需要估計并補償的擾動量；而第一階彈性模態特性是自穩定的，但會對剛體運動產生擾動，因此控制設計還需要考慮加入的反饋來使彈性運動快速穩定；

令z＝(z₁,z₂,z₃,z₄,z₅)^T,設計如下含混合位移及速度量測和第一階彈性模型的ESO：

其中，z為ESO得到的估計值，為z的導數，z₁為對剛體模態位移運動狀態的估計信號，z₂為第一階彈性模態位移的估計信號，z₃為對剛體模態速度運動狀態的估計信號，z₄為第一階彈性模態速度的估計信號，z₅為對總擾動f的估計，y_l＝(y_l1,y_l2)^T為彈性濾波器的輸出值，為狀態轉移矩陣，為量測系數矩陣，為控制輸入對估計值的影響系數，具體表示如下：

其中，L為ESO的設計參數，通過設計參數L使得其中，指矩陣特征根的實部；ESO利用了第一階彈性模型是指矩陣中含有第一階彈性模態的固有頻率和阻尼系數信息；W′₁為測量元件處對應于第一階彈性模態的彈體斷面旋轉角；

步驟(三)：姿態運動總擾動補償和彈性模態抑制的自抗擾控制ADRC律控制輸入設計如下：

其中，k_p,k_d,k_q為反饋系數；控制輸入中對剛體模態運動狀態估計信號z₁,z₃的PD反饋和姿態運動總擾動的補償實現存在模型參數擾動、多模態彈性耦合和其它干擾力和干擾力矩下姿態運動的動態響應和控制精度的一致性；控制輸入中對第一階彈性模態速度估計信號z₄的反饋實現對第一階彈性模態的快速抑制；ξ₁：第一階彈性模態的阻尼系數；ω_c為反饋參數帶寬；ξ_c為反饋參數阻尼；λ_q為彈性反饋參數帶寬。