一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法技术

本发明专利技术公开的一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，从而利用下滑道轨迹以及纵向甲板运动的未来信息和现在的信息对舰载机进行预见控制，从而实现对下滑道高度的跟踪及纵向甲板运动的补偿，同时能够有效抑制和消除侧向偏移，使舰载机保持侧向稳定。其中利用未来信息进行前馈控制，利用当前信息进行反馈控制，可以提前对舰载机的舵面和油门实施平均操作以达到跟踪补偿目的，减小瞬时的能量，并且加快响应速度，确保舰载机能在航母上安全着舰。

【技术实现步骤摘要】
一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法
本专利技术涉及一种舰载机自动着舰控制方法，尤其涉及一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法。
技术介绍
舰载机自动着舰控制系统的基本原理为航空母舰上的跟踪雷达测出舰载机的实际位置，同时由甲板运动传感器测量航空母舰飞行甲板的运动情况，通过预估方法计算舰载机所处的理想位置，将舰载机的理想位置和实际位置输入指令计算机，进行比较得到误差信号，根据误差信号经由引导控制律计算得到舰载机的控制指令，再由无线电数据链发送给舰载机，舰载机上的自动驾驶仪根据接收装置收到的误差信号，操纵舰载机消除误差，在预定位置安全着舰。周鑫等人公开的《舰载机着舰纵向甲板运动预估及补偿技术》(2013年10月，南京航空航天大学学报，第45卷第5期)中，记载了基于粒子滤波算法设计甲板运动预估器进行甲板运动状态预估的方法，得到甲板运动状态变量xk在未来τ时刻的最优估计值的表达式为舰载机着舰一般采用下滑道跟踪着舰。所谓下滑道跟踪着舰(舰载机等角下滑)，是在进舰着舰的最后阶段，舰载机截获合适的下滑道后，一直保持相同的下滑轨迹角、俯仰角、速度和下沉率，直至舰载机与航母飞行甲板碰撞，实现撞击式着舰。由于甲板运动的影响，舰载机下滑道跟踪着舰全过程可以分为两个阶段，一是下滑道跟踪阶段，二是甲板运动补偿阶段。舰载机一般在着舰前12.5s将甲板运动加入自动着舰控制系统中，让舰载机在跟踪下滑着舰的过程中同时跟踪甲板运动。实际下滑跟踪阶段，传统的PID控制器很难使舰载机快速地跟踪下滑道轨迹；实际甲板补偿阶段，传统的PID控制器很难使舰载机在最后的着舰阶段完全跟踪甲板运动，从而使着舰成功率低。因此，舰载机自动着舰控制方法设计对于舰载机在航母上安全着舰尤为重要，直接关系到舰载机自动着舰的成功率和安全性。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提供一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，实现舰载机进入下滑阶段后沿下滑道轨迹跟踪着舰，能够有效抑制和消除侧向偏移，使舰载机保持侧向稳定，并在着舰前实现甲板运动预估与补偿。技术方案：一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，包括甲板运动预估模块、纵向控制律模块和横侧向控制律模块；首先将甲板运动送入甲板运动预估模块得到甲板运动预估信息，并在着舰前将甲板运动预估信息引入舰载机自动着舰控制系统；其中，所述甲板运动预估模块的计算方法如下：对于已知传递函数的甲板运动，采用粒子滤波器算法设计预估器，用于预估τ时刻的甲板运动信息，得到甲板运动在未来τ时刻的最优估计值的表达式为其中Φ(k+m,k)为状态转移矩阵，k为时间，m＝τ/Ts，Ts为系统采样时间，状态转移阵A为甲板运动传递函数所对应的系数空间矩阵，为甲板运动k时刻状态估计值；根据所述分别得到τ时刻甲板纵向运动预估信息△hd和甲板横侧向运动预估信息△yd；所述纵向控制律模块的计算方法如下：飞机的纵向离散化模型∑lon为：其中，纵向状态变量矩阵△xblon＝[△V△α△q△θ]T，△V为速度反馈量与配平值之差，△α为迎角反馈量与配平值之差，△q为俯仰角速率反馈量与配平值之差，△θ为俯仰角反馈量与配平值之差；△ublon为纵向控制输入量矩阵，△ublon＝[△δe△δT]T，△δe为升降舵偏角增量，△δT为油门增量；△h为实际飞行高度值；△rin为可预见的理想下滑高度；△xp为可预见的理想下滑高度的信息存储值；△her为实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差；在采样时间为Ts，理想下滑高度的可预见时间tp时，可预见步数N＝tp/Ts；Ablon、Bblon、Aeblon为飞机的纵向状态空间矩阵；Ap、Bp、Cp为N步延时器的状态空间系数；式(1)中的△rin(k)＝△hc(k+N)是k时刻的理想下滑高度的N步预见值，△hc理想下滑高度，△xp(k)表示为：纵向控制律模块采用全信息鲁棒预见控制方法设计控制器，全信息鲁棒预见控制器由反馈控制分量和前馈控制分量两部分组成；在下滑道跟踪阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差△her及纵向状态变量误差△xblon送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度△rin和可预见的理想下滑高度的信息存储值△xp送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪，其控制律为：式中，Fblon为纵向状态变量误差参数矩阵，Felon为高度误差参数矩阵，Fplon为N步理想下滑高度预见信息参数矩阵，Frlon为第N步理想下滑高度预见信息参数矩阵；在甲板运动补偿阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差△her、纵向状态变量误差△xblon及甲板纵向运动预估信息△hd送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度△rin和甲板纵向运动预估信息△hd送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪及甲板浮沉运动补偿，其控制律为：其中，Fplon(j)为所述Fplon中的第(j+1)项；矩阵Fblon,Felon,Fplon,Frlon的计算公式如下：式中，Cglon＝[0I]，W1为纵向全信息鲁棒预见控制律输出权重，W2为纵向全信息鲁棒预见控制律输入权重，Fglon为纵向状态变量反馈系数矩阵，j为中间变量，Z为整数集合，S、Acg均为中间变量系数矩阵，Xgg是式(6)的离散代数Riccati方程的稳态解；当系统满足以下三个约束条件时，且使得控制性能指标Jlon最小化的纵向控制输入量矩阵△ublon为目标控制信号；其中，所述控制性能指标Jlon为：所述约束条件为：(1)(AglonBglon)是稳定的；(2)W2'W2>0；(3)满秩；其中，χ为中间变量；所述的横侧向控制律模块的计算方法如下：飞机的横侧向离散化模型∑lat为：其中，横侧向状态变量矩阵△xblat＝[△β△p△r△φ△ψ]T，△β为侧滑角反馈量与配平值之差，△p为滚转角速率反馈量与配平值之差，△r为偏航角速率反馈量与配平值之差，△φ为滚转角反馈量与配平值之差，△ψ为偏航角反馈量与配平值之差；△ublat为横侧向控制输入量矩阵，△ublat＝[△δa△δr]T，△δa为副翼偏角增量，△δr为方向舵偏角增量；△y为实际侧偏距；△yer为实际侧偏距反馈量与配平值之差；Ablat、Bblat、Aeblat为飞机的横侧向状态空间矩阵；横侧向控制律模块采用全信息鲁棒预见控制方法设计控制器，在下滑道跟踪阶段，将横侧向状态变量误差△xblat和实际侧偏距反馈量与配平值之差△yer送入反馈控制分量来控制舰载机的横侧向运动，使舰载机保持零侧偏距和侧向稳定，其控制律为：式中，Fblat为横侧向状态变量反馈系数矩阵，Felat为侧偏距误差反馈系数矩阵；在甲板运动补偿阶段，将实际侧偏距反馈量与配平值之差△yer、横侧向状态量误差△xblat及甲板横侧向运动预估信息△yd送入反馈控制分量，将甲板横侧向运动预估信息△yd送入前馈控制分量，实现零侧偏距及横侧向甲板运动跟踪补偿，其控制律为：式中，Fplat为N步侧偏距预见信息参数矩阵，Frlat为第N步侧偏距预见信息参数矩阵；矩阵Fblat,Felat,Fplat,Frlat的计算公式如下：其中，Cglat＝[0I]，W3为横侧向全信息鲁棒预见控制律输出权重，W4为横侧向全信息鲁棒预见控制律输入权重；Fglat为横侧向反馈系数矩阵；Sg、Acg本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，其特征在于：包括甲板运动预估模块、纵向控制律模块和横侧向控制律模块；首先将甲板运动送入甲板运动预估模块得到甲板运动预估信息，并在着舰前将甲板运动预估信息引入舰载机自动着舰控制系统；其中，所述甲板运动预估模块的计算方法如下：对于已知传递函数的甲板运动，采用粒子滤波器算法设计预估器，用于预估τ时刻的甲板运动信息，得到甲板运动在未来τ时刻的最优估计值的表达式为其中Φ(k+m,k)为状态转移矩阵，k为时间，m＝τ/Ts，Ts为系统采样时间，状态转移阵A为甲板运动传递函数所对应的系数空间矩阵，为甲板运动k时刻状态估计值；根据所述分别得到τ时刻甲板纵向运动预估信息Δhd和甲板横侧向运动预估信息Δyd；所述纵向控制律模块的计算方法如下：飞机的纵向离散化模型∑lon为：Σlon:Δxblon(k+1)=AblonΔxblon(k)+BblonΔublon(k)Δh(k+1)=AeblonΔxblon(k)+Δh(k)Δxp(k+1)=ApΔxp(k)+BpΔrin(k)Δher(k)=Δh(k)-CpΔxp(k)---(1)]]>其中，纵向状态变量矩阵Δxblon＝[ΔV Δα Δq Δθ]T，ΔV为速度反馈量与配平值之差，Δα为迎角反馈量与配平值之差，Δq为俯仰角速率反馈量与配平值之差，Δθ为俯仰角反馈量与配平值之差；Δublon为纵向控制输入量矩阵，Δublon＝[Δδe ΔδT]T，Δδe为升降舵偏角增量，ΔδT为油门增量；Δh为实际飞行高度值；Δrin为可预见的理想下滑高度；Δxp为可预见的理想下滑高度的信息存储值；Δher为实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差；在采样时间为Ts，理想下滑高度的可预见时间tp时，可预见步数N＝tp/Ts；Ablon、Bblon、Aeblon为飞机的纵向状态空间矩阵；Ap、Bp、Cp为N步延时器的状态空间系数；式(1)中的Δrin(k)＝Δhc(k+N)是k时刻的理想下滑高度的N步预见值，Δhc理想下滑高度，Δxp(k)表示为：Δxp(k)=Δrin(k-N)...Δrin(k-1)=Δh(k)...Δh(k+N-1)---(2)]]>纵向控制律模块采用全信息鲁棒预见控制方法设计控制器，全信息鲁棒预见控制器由反馈控制分量和前馈控制分量两部分组成；在下滑道跟踪阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差Δher及纵向状态变量误差Δxblon送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度Δrin和可预见的理想下滑高度的信息存储值Δxp送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪，其控制律为：式中，Fblon为纵向状态变量误差参数矩阵，Felon为高度误差参数矩阵，Fplon为N步理想下滑高度预见信息参数矩阵，Frlon为第N步理想下滑高度预见信息参数矩阵；在甲板运动补偿阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差Δher、纵向状态变量误差Δxblon及甲板纵向运动预估信息Δhd送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度Δrin和甲板纵向运动预估信息Δhd送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪及甲板浮沉运动补偿，其控制律为：其中，Fplon(j)为所述Fplon中的第(j+1)项；矩阵Fblon,Felon,Fplon,Frlon的计算公式如下：FblonFelon=-R‾-1(BglonTXggAglon)Fplon(0)=0Fplon(j)=-R‾-1BglonT(AcgT)j-1S,0<j<N,j∈ZFrlon=-R‾-1BglonT(AcgT)N-1SR‾=W2TW2+BglonTXggBglonS=CglonTW1TW1Acg=Aglon+BglonFglon---(5)]]>式中，Aglon=Ablon0AeblonI,Bglon=Bblon0,]]>Cglon＝[0 I]，W1为纵向全信息鲁棒预见控制律输出权重，W2为纵向全信息鲁棒预见控制律输入权重，Fglon为纵向状态变量反馈系数矩阵，j为中间变量，Z为整数集合，S、Acg均为中间变量系数矩阵，Xgg是式(6)的离散代数Riccati方程的稳态解；Xgg=Aglon′XggAglon-Fglon′R‾Fglon+Cglon′W1′W1Cglon---(6)]]>当系统满足以下三个约束条件时，且使得控制性能指标Jlon最小化的纵向控制输入量矩阵Δubl...

【技术特征摘要】
1.一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，其特征在于：包括甲板运动预估模块、纵向控制律模块和横侧向控制律模块；首先将甲板运动送入甲板运动预估模块得到甲板运动预估信息，并在着舰前将甲板运动预估信息引入舰载机自动着舰控制系统；其中，所述甲板运动预估模块的计算方法如下：对于已知传递函数的甲板运动，采用粒子滤波器算法设计预估器，用于预估τ时刻的甲板运动信息，得到甲板运动在未来τ时刻的最优估计值的表达式为其中Φ(k+m,k)为状态转移矩阵，k为时间，m＝τ/Ts，Ts为系统采样时间，状态转移阵A为甲板运动传递函数所对应的系数空间矩阵，为甲板运动k时刻状态估计值；根据所述分别得到τ时刻甲板纵向运动预估信息Δhd和甲板横侧向运动预估信息Δyd；所述纵向控制律模块的计算方法如下：飞机的纵向离散化模型∑lon为：其中，纵向状态变量矩阵Δxblon＝[ΔVΔαΔqΔθ]T，ΔV为速度反馈量与配平值之差，Δα为迎角反馈量与配平值之差，Δq为俯仰角速率反馈量与配平值之差，Δθ为俯仰角反馈量与配平值之差；Δublon为纵向控制输入量矩阵，Δublon＝[ΔδeΔδT]T，Δδe为升降舵偏角增量，ΔδT为油门增量；Δh为实际飞行高度值；Δrin为可预见的理想下滑高度；Δxp为可预见的理想下滑高度的信息存储值；Δher为实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差；在采样时间为Ts，理想下滑高度的可预见时间tp时，可预见步数N＝tp/Ts；Ablon、Bblon、Aeblon为飞机的纵向状态空间矩阵；Ap、Bp、Cp为N步延时器的状态空间系数；式(1)中的Δrin(k)＝Δhc(k+N)是k时刻的理想下滑高度的N步预见值，Δhc理想下滑高度，Δxp(k)表示为：纵向控制律模块采用全信息鲁棒预见控制方法设计控制器，全信息鲁棒预见控制器由反馈控制分量和前馈控制分量两部分组成；在下滑道跟踪阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差Δher及纵向状态变量误差Δxblon送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度Δrin和可预见的理想下滑高度的信息存储值Δxp送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪，其控制律为：式中，Fblon为纵向状态变量误差参数矩阵，Felon为高度误差参数矩阵，Fplon为N步理想下滑高度预见信息参数矩阵，Frlon为第N步理想下滑高度预见信息参数矩阵；在甲板运动补偿阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差Δher、纵向状态变量误差Δxblon及甲板纵向运动预估信息Δhd送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度Δrin和甲板纵向运动预估信息Δhd送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪及甲板浮沉运动补偿，其控制律为：其中，Fplon(j)为所述Fplon中的第(j+1)项；矩阵Fblon,Felon,Fplon,Frlon的计算公式如下：式中，Cglon＝[0I]，W1为纵向全信息鲁棒预见控制律输出权重，W2为纵向全信息鲁棒预见控制律输入权重，Fglon为纵向状态变量反馈系数矩阵，j为中间变量，Z为整数集合，S、Acg均为中间变量系数矩阵，Xgg是式(6)的离散代数Riccati方程的稳态解；

【专利技术属性】
技术研发人员：甄子洋，邵敏敏，龚华军，江驹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32