一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法技术

本发明专利技术公开了一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法，采用惯性组合导航设备测量飞艇的实时前向飞行位置，根据给定的定点悬停点得到位置误差变量；采用前向飞行速度代替误差微分信号；对位置误差信号采用积分算法产生积分信号，形成滑模面信号s

Method for controlling hover of airship by adaptive variable structure

The invention discloses a method using adaptive variable structure control by hovering airship, inertial navigation equipment to measure the airship real-time forward flight position, according to the given point hovering position error variable; using forward flight speed instead of the error differential signal; signal to produce integral position error signal by using the integral algorithm, form the sliding mode signal s

【技术实现步骤摘要】
一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法
本专利技术属于飞行器控制
，涉及一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法。
技术介绍
平流层飞艇早在第二次世界大战期间就有应用，但由于当时的控制技术不成熟，因此飞艇系统的可靠性不足导致其发展一度停滞不前。但随着科技的发展，自上世纪90年代以来，世界各国又兴起了一股飞艇研究的热潮，主要是由于其作为空间平台，在现代战争中有着广阔的应用，如其可作为武器平台携带一定质量的武器直接参与战争；也可作为探测平台，其具有停留时间长，停留高度高，视野广的优点；而且其体积大，可携带大体积的探测设备；也可作为通信平台，作为战争中武器制导信息的中继站。定点悬停是飞艇作为平台时非常重要的一个状态，其定点的精确性，稳定性对战时观测、通信非常重要。同时定点悬停也是飞艇和直升机类飞行器所特有的控制要求，而常规飞行器如导弹、飞机、火箭则不涉及该类控制技术，因此目前有关定点悬停的专利研究较少，采用较多的是PID控制规律。PID控制规律的参数调节主要依赖设计人员的工程经验，而且定点悬停的范围如果变化较大后，控制参数需要重新设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法，解决了目前有关定点悬停采用较多的是PID控制规律，参数调节主要依赖设计人员的工程经验，自适应差，而且定点悬停的范围如果变化较大后，控制参数需要重新设计的问题。本专利技术所采用的技术方案是按照以下步骤进行：步骤一：位置测量与位置误差信号的生成；采用惯性组合导航设备测量飞艇的实时前向飞行位置，记为x，根据给定的定点悬停点xd，得到位置误差变量ex，ex＝x-xd；步骤二：速度测量与误差微分信号的形成；采用前向飞行速度传感器测量飞艇的前向飞行速度，记为vx，采用前向飞行速度代替误差微分信号，即步骤三：滑模面s2信号的构建；对位置误差信号采用积分算法产生积分信号Ω，其满足选取控制参数c1与c2为正的常数，形成滑模面信号s2步骤四：将上述滑模面信号引入俯仰舵偏量设计自适应规律补偿俯仰姿态运动对定点悬停的干扰，并考虑发动机推力的饱和限制，构造自适应变结构定点悬停控制律u2，从而实现飞艇的定点悬停；自适应变结构定点悬停控制律u2a设计如下：其中u1为飞艇俯仰舵偏角，其中ka1、ka2、ka3、ε为控制器参数，其为正常数；θ为飞艇的俯仰角；项用于补偿飞艇俯仰姿态的变化对定点悬停带来的干扰；设计如下：其初始值选取为Γ4为正常数；飞艇自适应变结构定点悬停控制律u2如下：进一步，建立飞艇俯仰通道的微分方程所建立的数学模型，近似模拟飞艇俯仰通道的特性，对参数进行实际调整；飞艇俯仰通道的模型如下：其中而a11,a13,a22,a31,a33由计算M矩阵的逆阵而获得，即满足而M矩阵有飞艇的质量与转动惯量所决定，其求取方法如下：I3为3阶单位矩阵；其中m为飞艇的质量，az为常量，m11、m33、m55由飞艇质量分布与转动惯量所决定：m11＝km1Mr，m33＝km2Mr，m55＝km3Iy，其中km1＝0.1053；km2＝0.8260；km3＝0.1256；Mr＝ρV，其中ρ为大气密度，V为飞艇的体积；Q为动压头，其计算方法为Q＝0.5ρVf2；Vf为飞艇的运动速度；为飞艇的前向飞行加速度；u为艇体坐标系中飞艇的前向飞行速度；为飞艇的垂向飞行加速度；w为艇体坐标系中飞艇的垂向飞行速度；为飞艇的俯仰角加速度；q为飞艇的俯仰角速度；为飞艇的俯仰角速度，θ为飞艇的俯仰角；为发射坐标系中飞艇的前向飞行速度；x为飞艇的前向飞行距离；为发射坐标系中飞艇的垂向飞行速度；z为飞艇的飞行高度；kg1与kg2为舵效常数，为空气动力学系数；CX1、CX2、Cz1、Cz2与Cz3为飞艇受力相关的空气动力系数，CM1、CM2、CM1为飞艇受力矩相关的空气动力系数。进一步，所述步骤4中θ用0来近似。进一步，所述步骤4中Γ4＝0.01。本专利技术的有益效果是自适应能力强，参数选定后无需调整即可适应大范围的悬停控制要求，不仅具有很好的创新性，也具有很高的工程实用价值。附图说明图1是本专利技术提供的一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法原理框图；图2是本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的飞艇的前向运动速度曲线；图3是本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的飞艇的垂向运动速度曲线；图4是本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的给定0度俯仰角指令情况下的飞艇俯仰角小幅波动曲线；图5是本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的飞艇的俯仰角速率曲线；图6是本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的飞艇的水平飞行距离曲线；图7为本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的飞艇的飞行高度曲线；图8为本专利技术实施例提供的50米悬停情况下的飞艇的推力曲线；图9是本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的飞艇的前向运动速度曲线；图10是本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的飞艇的垂向运动速度曲线；图11是本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的给定0度俯仰角指令情况下的飞艇俯仰角小幅波动曲线；图12是本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的飞艇的俯仰角速率曲线；图13是本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的飞艇的水平飞行距离曲线；图14为本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的飞艇的飞行高度曲线；图15为本专利技术实施例提供的500米悬停情况下的飞艇的推力曲线。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术实施例的目的在于提供一种仅测量飞艇前向飞行位置与速度信息而由艇上控制计算机生成位置误差信息、误差积分信息、误差微分信息，组合而成滑模面，并综合设计自适应调节规律，补偿俯仰舵偏角以及姿态控制对定点悬停的影响，最后采用非线性变结构来实现飞艇的定点悬停跟踪控制。本专利技术包括如下步骤：步骤一：位置测量与位置误差信号的生成如图1所示，采用惯性组合导航设备测量飞艇的实时前向飞行位置，记为x，将上述测量信号进行A/D转换，输入给飞艇上的计算机。同时根据给定的定点悬停点xd，利用飞艇上控制计算机进行相减比较，得到位置误差变量ex，即ex＝x-xd。步骤二：速度测量与误差微分信号的形成采用前向飞行速度传感器测量飞艇的前向飞行速度，记为vx，由于ex＝x-xd，其误差信号满足由于定点悬停控制的特殊性，可以将期望悬停点的导数视为0，即有因此可以直接采用前向飞行速度代替误差微分信号，即步骤三：滑模面s2信号的构建首先，在飞艇上控制计算机中对位置误差信号采用积分算法产生积分信号Ω，其满足然后选取控制参数c1与c2为正的常数，对位置误差、误差积分、误差微分三类信号进行如下组合形成滑模面信号s2步骤四：基于上述滑模面信号，引入俯仰舵偏量设计自适应规律补偿俯仰姿态运动对定点悬停的干扰，并考虑发动机推力的饱和限制，构造自适应变结构定点悬停控制律u2，从而实现飞艇的定点悬停。未考虑饱和限制的情况下，自适应变结构定点悬停控制律u2a设计如下：其中u1为飞艇俯仰舵偏角，用于稳定飞艇的俯仰姿态角。本专利是假设飞艇姿态稳定控制器已经设计完好的情况下进行的，如果姿态不稳定，显然是无法实现飞艇定点悬停的。在
技术实现思路
中仿真示例采用了一类简单的PID控制器进行飞艇姿态稳定控制，使得飞艇定点悬停能得以进行案例展示。其中ka1、ka2、ka3、ε为控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤一：位置测量与位置误差信号的生成；采用惯性组合导航设备测量飞艇的实时前向飞行位置，记为x，根据给定的定点悬停点x

【技术特征摘要】
1.一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤一：位置测量与位置误差信号的生成；采用惯性组合导航设备测量飞艇的实时前向飞行位置，记为x，根据给定的定点悬停点xd，得到位置误差变量ex，ex＝x-xd；步骤二：速度测量与误差微分信号的形成；采用前向飞行速度传感器测量飞艇的前向飞行速度，记为vx，采用前向飞行速度代替误差微分信号，即步骤三：滑模面s2信号的构建；对位置误差信号采用积分算法产生积分信号Ω，其满足选取控制参数c1与c2为正的常数，形成滑模面信号s2步骤四：将上述滑模面信号引入俯仰舵偏量设计自适应规律补偿俯仰姿态运动对定点悬停的干扰，并考虑发动机推力的饱和限制，构造自适应变结构定点悬停控制律u2，从而实现飞艇的定点悬停；自适应变结构定点悬停控制律u2a设计如下：其中u1为飞艇俯仰舵偏角，其中ka1、ka2、ka3、ε为控制器参数，其为正常数；θ为飞艇的俯仰角；项用于补偿飞艇俯仰姿态的变化对定点悬停带来的干扰；设计如下：其初始值选取为Γ4为正常数；飞艇自适应变结构定点悬停控制律u2如下：2.按照权利要求1所述一种采用自适应变结构的飞艇定点悬停控制方法，其特征在于：建立飞艇俯仰通道的微分方程所建立的数学模型，近似模拟飞艇俯仰通道的特性，对参数进行实际调整；飞艇俯仰通道的模型如下：其中

【专利技术属性】
技术研发人员：张友安，雷军委，卢建综，孙玉梅，董云云，吴华丽，
申请(专利权)人：烟台南山学院，中国人民解放军海军航空工程学院，
类型：发明
国别省市：山东,37