一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法技术

本发明专利技术公开了一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法，采用测角陀螺测量平流层飞艇俯仰通道俯仰角信号，并与期望俯仰角指令进行比较，形成俯仰角误差信号eq＝θ‑θd，利用俯仰角误差信息构造积分型终端滑模面构造俯仰通道姿态角稳定控制律从而实现平流层飞艇对给定俯仰角的跟踪。本发明专利技术的有益效果是能加快飞艇俯仰通道的姿态响应速度，能够增加姿态角跟踪的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于飞行器控制
，涉及一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法。
技术介绍
空天预警能力直接关系国家安全和未来战争胜负。空中平台的选择不仅决定了对目标的探测距离，而且直接影响着舰空导弹的制导精度。预警机、直升机和浮空器均可作为空中平台探测目标，传递目标探测信息。而平流层飞艇是一种成本低、定点滞空时间长、载荷能力大的浮空器，具有作为空中平台的独特优势。由于平流层飞艇这样的被控对象具有延迟大控制响应慢的特点，因此传统的PID控制会使得飞艇俯仰角跟踪响应慢。终端滑模由于在机理上具有有限时间到达原点附近邻域的特性，比传统方式通过Lyapunov函数构造的滑模控制，以及PID控制方式具有更快的收敛特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法，解决了由于平流层飞艇这样的被控对象具有延迟大控制响应慢的特点，因此传统的PID控制会使得飞艇俯仰角跟踪响应慢的问题。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：采用测角陀螺测量平流层飞艇俯仰通道俯仰角信号，并与期望俯仰角指令进行比较，形成俯仰角误差信号eq＝θ-θd飞艇俯仰角θ，姿态角θd；步骤二：利用俯仰角误差信息构造积分型终端滑模面s其中c1、c2与c3为正的常数，Ω为误差终端项，其表达式为Ω＝(θ-θd)1/3为误差微分；步骤三：构造俯仰通道姿态角稳定控制律u1，从而实现平流层飞艇对给定俯仰角的跟踪：其中u2为飞艇前向速度控制量；项用于补偿前向速度控制量的变化，或飞艇速度变化对姿态角控制通道的干扰；其初始值选取为Γ4为正常数；k0为正常数；q为飞艇俯仰角速度；为自适应调节规律，其设计如下：其初始值选取为Γ1为正常数，可初步选取为Γ1＝0.001。其初始值选取为Γ2为正常数；其初始值选取为Γ3为正常数；其初始值选取为Γ5为正常数；其初始值选取为Γ6为正常数；其最终姿态角跟踪控制律u1设计如下：进一步，根据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，从而进行参数调整；其中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；飞艇参数设计为Iy，Mr＝ρV，其中ρ为大气密度，V为飞艇的体积；Q为动压头，Q＝0.5ρVf2；Vf为飞艇的运动速度；为飞艇的前向飞行加速度；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；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3中，Γ4＝0.01，k0＝8.5，Γ1＝0.001，Γ3＝0.001，Γ5＝0.001，Γ6＝0.001。本专利技术的有益效果是能加快飞艇俯仰通道的姿态响应速度，能够增加姿态角跟踪的精度。附图说明图1是本专利技术提供的一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法原理框图；图2是本专利技术实施例提供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给定20度俯仰角指令情况下的飞艇俯仰角跟踪曲线；图5是本专利技术实施例提供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飞艇的飞行高度曲线；图8为本专利技术实施例提供的飞艇的俯仰舵偏角曲线；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。本专利技术技术方案包括如下五步：步骤一：采用测角陀螺测量平流层飞艇俯仰通道俯仰角信号，并与期望俯仰角指令进行比较，形成俯仰角误差信号eq如图1所示，采用由测角陀螺仪测量飞艇俯仰角θ，姿态角为θd，利用飞艇上控制计算机进行相减比较，得到俯仰角误差变量eq，即eq＝θ-θd。步骤二：利用俯仰角误差信息构造积分型终端滑模面s在飞艇上控制计算机中进行乘法与加法、积分与微分等运算，形成如下滑模面，其满足如下形式：其中c1、c2与c3为正的常数。Ω为误差终端项，其表达式为Ω＝(θ-θd)1/3而为误差微分，由艇上计算机根据误差信号eq，采用近似微分算法求取。步骤三：利用上述积分型终端滑模面，设计飞艇未知项的自适应估计规律，并考虑飞艇舵机偏角的饱和限制，构造俯仰通道姿态角稳定控制律u1，从而实现平流层飞艇对给定俯仰角的跟踪设计飞艇俯仰通道姿态角积分型终端滑模控制律u1a设计如下：其中u2为飞艇前向速度控制量，用于稳定飞艇的前向运动速度，可采用简单的常值规律，或者PID控制规律。项用于补偿前向速度控制量的变化，或飞艇速度变化对姿态角控制通道的干扰。设计如下：其初始值选取为Γ4为正常数，选取为Γ4＝0.01。k0为正常数，可选取为k0＝8.5。s为滑模面，q为飞艇俯仰角速度。为自适应调节规律，其设计如下：其初始值选取为Γ1为正常数，可初步选取为Γ1＝0.001。其初始值选取为Γ2为正常数，可初步选取为Γ2＝0.001。其初始值选取为Γ3为正常数，可初步选取为Γ3＝0.001。其初始值选取为Γ5为正常数，可初步选取为Γ5＝0.001。其初始值选取为Γ6为正常数，可初步选取为Γ6＝0.001。其最终姿态角跟踪控制律u1设计如下：其主要思路是将u1a通过饱和限幅，使得其不超过飞艇最大可用舵偏角30度的物理限制，57.3为度到弧的转换。步骤四：利用计算机，根据如下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。将步骤三所得的控制量代入建立的模型，通过不断调整控制参数，并观察飞艇各状态的数据，并画图，以获到满意的系统性能，从而最终确定飞艇控制参数。其中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，如某型飞艇可选为m＝53345；az＝16.8，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。如某型飞艇参数设计为Iy＝5.9*109，以上单位均为国际标准单位。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；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；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；为发射坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤一：采用测角陀螺测量平流层飞艇俯仰通道俯仰角信号，并与期望俯仰角指令进行比较，形成俯仰角误差信号eq＝θ‑θd飞艇俯仰角θ，姿态角θd；步骤二：利用俯仰角误差信息构造积分型终端滑模面s其中c1、c2与c3为正的常数，Ω为误差终端项，其表达式为Ω＝(θ‑θd)1/3为误差微分；步骤三：构造俯仰通道姿态角稳定控制律u1，从而实现平流层飞艇对给定俯仰角的跟踪：其中u2为飞艇前向速度控制量；项用于补偿前向速度控制量的变化，或飞艇速度变化对姿态角控制通道的干扰；其初始值选取为Γ4为正常数；k0为正常数；q为飞艇俯仰角速度；为自适应调节规律，其设计如下：其初始值选取为Γ1为正常数，可初步选取为Γ1＝0.001。其初始值选取为Γ2为正常数；其初始值选取为Γ3为正常数；其初始值选取为Γ5为正常数；其初始值选取为Γ6为正常数；其最终姿态角跟踪控制律u1设计如下：。

【技术特征摘要】
1.一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤一：采用测角陀螺测量平流层飞艇俯仰通道俯仰角信号，并与期望俯仰角指令进行比较，形成俯仰角误差信号eq＝θ-θd飞艇俯仰角θ，姿态角θd；步骤二：利用俯仰角误差信息构造积分型终端滑模面s其中c1、c2与c3为正的常数，Ω为误差终端项，其表达式为Ω＝(θ-θd)1/3为误差微分；步骤三：构造俯仰通道姿态角稳定控制律u1，从而实现平流层飞艇对给定俯仰角的跟踪：其中u2为飞艇前向速度控制量；项用于补偿前向速度控制量的变化，或飞艇速度变化对姿态角控制通道的干扰；其初始值选取为Γ4为正常数；k0为正常数；q为飞艇俯仰角速度；为自适应调节规律，其设计如下：其初始值选取为Γ1为正常数，可初步选取为Γ1＝0.001。其初始值选取为Γ2为正常数；其初始值选取为Γ3为正常数；其初始值选取为Γ5为正常数；其初始值选取为Γ6为正常数；其最终姿态角跟踪控制律u1设计如下：。2.按照权利要求1所述一种基于积分型终端滑模的平流层飞艇俯仰角跟踪方法，其特征在于：根据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，从而进行参数调整；其中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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张友安，雷军委，刘震霆，孙玉梅，苏凤，乔玉新，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