具有输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种具有输入非线性的近空间飞行器(NSV)预设性能姿态跟踪控制方法，包括如下步骤：(1)通过加入的死区右逆函数，将包含死区和输入饱和的输入非线性环节等效为输入饱和环节，将该输入非线性加入到NSV姿态模型中；(2)引入跟踪误差的预设性能限制，对跟踪误差信号的瞬态性能和稳态误差同时进行调节，并借助误差转换函数将受预设性能约束的跟踪误差信号转换为不受约束的转换误差信号；(3)构造辅助系统，借助backstepping方法进行自适应神经网络姿态跟踪控制器的设计。本发明专利技术能够使得NSV姿态模型在具有参数不确定，外部干扰和输入非线性的情况下能够跟踪期望的姿态角信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种考虑输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法，属于近空间飞行器飞行控制

技术介绍
近空间飞行器(NSV:nearspacevehicle)作为一种新型的空天飞行器，融合了传统航空和航天飞行器的优点，在民用和军事领域应用前景广阔，得到了广泛的关注。同时由于其复杂的特性，如飞行环境多变，任务模式多样，强耦合，非线性等，设计行之有效的控制方法成为一项重要而又具有挑战的工作。NSV的姿态控制是其安全飞行的基础，因此本专利以近空间飞行器的姿态运动模型为研究对象，进行其预设性能姿态跟踪控制方法的开发。目前针对跟踪控制问题的研究主要集中在稳态性能的研究中，即保证跟踪误差收敛于有界集或者渐进收敛到原点，而对瞬态性能的研究还很少。事实上瞬态性能在改进NSV控制系统性能上起着重要作用。例如，较大的超调量可能会使得执行器超出其幅值限制，从而导致闭环系统不稳定。因此，在NSV控制器设计中需要对瞬态和稳态性能同时研究。为解决该问题，引入预设性能的概念。通过性能函数的选取，同时对跟踪误差的瞬态性能和稳态性能进行约束，并通过误差转换技术将受约束的跟踪误差转换为不受约束的信号，通过证明该信号的有界性来保证跟踪误差的预设性能限制。同时，NSV在实际飞行中其舵面和发动机推力会受到诸多限制，如幅值、带宽、频率等，从而执行器可能会产生诸如饱和、死区、间隙等非线性特性，在NSV姿态模型中表现为输入非线性特性。为解决饱和与死区组成的输入非线性问题，将死区的右逆函数放置于系统输入非线性模块之前，将该两个非线性环节综合等效为一个输入饱和环节，从而采用辅助系统方法解决输入非线性问题。辅助系统方法是通过构造一个稳定的外部系统，将其将入到误差信号中，减小或抵消输入非线性的影响。该方法简单有效，易于实现。另外，NSV的动态模型中通常会存在未知的参数不确定和外部扰动，该不确定可能会影响系统的性能。神经网络(NNs:neuralnetwork)由于其能够任意逼近连续函数，已经被广泛的应用于不确定非线性系统的设计中。其中，作为一种线性参数化的神经网络，径向基函数(RBF:radialbasisfunction)神经网络被广泛的用于逼近未知建模误差。因此，采用RBFNNs对系统中未知的不确定进行逼近，并在虚拟控制律和控制器设计中进行补偿。Backstepping控制策略是一种非线性的反馈控制方法，在实际的控制系统中相比于其他的非线性方法更容易实现。因此，根据转换系统的严格反馈结构，采用backstepping技术进行自适应神经网络跟踪控制器的设计。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种具有输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法，能够使得NSV姿态模型在具有参数不确定，外部干扰和输入非线性的情况下能够跟踪期望的姿态角信号。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种具有输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法，包括如下步骤：(1)通过加入的死区右逆函数，将包含死区和输入饱和的输入非线性环节等效为输入饱和环节，将该输入非线性加入到NSV姿态模型中；(2)引入跟踪误差的预设性能限制，对跟踪误差信号的瞬态性能和稳态误差同时进行调节，并借助误差转换函数将受预设性能约束的跟踪误差信号转换为不受约束的转换误差信号；(3)构造辅助系统，减小或消除输入非线性对控制系统性能的影响，根据NSV姿态模型的特点，将控制系统分别快慢回路，使用RBF神经网络对系统未知不确定进行逼近，利用自适应技术对复合干扰进行处理，借助backstepping方法进行姿态跟踪控制器的设计。所述步骤(1)中，输入非线性环节表示为串级结构，包括非对称的输入饱和环节和死区环节，其中Mc为理想控制输入，为实际控制输入；饱和函数sat(·)表示为：其中Mcmaxi,Mcmini表示第i个控制输入的上下界，vi为饱和环节输出；死区函数Db(·)表示为：其中bri>0,bli<0为已知的死区区间，mri>0,mli>0为死区斜率参数；引入死区函数Db(·)的右逆函数该函数满足定义为：将上述函数放置在输入非线性环节之前，产生新的串级非线性环节，其中为设计的控制律；上述控制律有以下几种情况：情况1：根据饱和函数sat(·)和右逆函数的定义得到：又知因此，根据死区函数Db(·)的定义可知：上述方程能够改写为：情况2：与情况1类似，根据饱和函数sat(·)和右逆函数的定义得到：同时可知因此，根据死区函数Db(·)的定义可知：上述方程能够改写为：情况3：该情况下，从而因此综合考虑上述三种情况，可得：该方程意味着即所有的非线性环节可以整体的看作为新的饱和环节；因此，将死区函数的右逆函数放置于系统输入非线性环节前，就能够采用一般的受限控制方法来处理输入非线性问题；将上述的输入非线性环节加入到NSV姿态模型中得到：其中Ω＝[α,β,μ]T为姿态角向量，分别表示迎角，侧滑角和航迹倾斜角；ω＝[p,q,r]T为姿态角滚转角速率向量，分别表示滚转角速率，俯仰角速率和偏航角速率；F1∈R3,F2∈R3为已知的状态函数向量，G1∈R3×3,G2∈R3×3为已知的系统控制增益矩阵；△F1∈R3,△F2∈R3为未知的光滑函数，表示系统建模误差；d1∈R3,d2∈R3为未知外部干扰；satb(·)为新的饱和函数，其定义如上所示。所述步骤(2)中，跟踪误差满足如下预设性能限制：el(t)≤e(t)≤eu(t)其中e(t)＝[e1(t),e2(t),e3(t)]，和为预设性能函数的上下界函数，并满足跟踪误差信号的超调量保持在区间内，最大容许稳态误差必须满足因此，跟踪误差的预设瞬态性能和稳态性能能够通过选择合适的性能函数来实现；为实现预设性能限制，引入转换函数将预设性能限制转换为不受约束的信号，该函数设计为：其中σ＝[σ1,σ2,σ3]T为转换误差信号；根据转换函数的定义可知：另外，求得跟踪误差ei关于σi的偏导数为：上式表明跟踪误差ei和转换误差σi为严格递增关系；因此，如果转换误差σi有界，跟踪误差预设性能限制总是成立，即转换误差σ的有界性能够保证跟踪误差e的预设性能限制；另外，求得转换误差σi关于跟踪误差ei的偏导数为：定义函数M(e,eu,el)为：因此，M(e,eu,el)的逆总是存在；对转换误差σ关于时间求导得到：其中将转换误差动态代入系统方程中得到新的误差系统为：所述步骤(3)中，步骤a、系统控制回路分为快慢回路，首先对慢回路即姿态角回路进行分析：构造辅助系统，利用backstepping控制策略设计虚拟控制律，同时采用径向基函数神经网络对慢回路中未知不确定进行逼近，利用自适应方法对复合干扰进行处理，具体为：a-1、为减小或消除输入非线性的影响，构造如下形式的辅助系统：其中ξ1∈R3,ξ2∈R3为辅助系统状态变量，矩阵设计满足：为实际输入与理想输入的差值；a-2、利用径向基神经网络逼近系统的未知不确定△F1，其最佳逼近写为：其中为W1*∈Rq×3神经网络最优权值矩阵，利用对其进行逼近，其自适应律设计为：其中P1＝P1T>0,τ1>0均为设计参数或矩阵；S(Ω)＝[S(Ω)1,S(Ω)2,…,S(Ω)q]T为径向基函数，一般选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)通过加入的死区右逆函数，将包含死区和输入饱和的输入非线性环节等效为输入饱和环节，将该输入非线性加入到NSV姿态模型中；(2)引入跟踪误差的预设性能限制，对跟踪误差信号的瞬态性能和稳态误差同时进行调节，并借助误差转换函数将受预设性能约束的跟踪误差信号转换为不受约束的转换误差信号；(3)构造辅助系统，减小或消除输入非线性对控制系统性能的影响，根据NSV姿态模型的特点，将控制系统分别快慢回路，使用径向基函数(RBF)神经网络对系统未知不确定进行逼近，利用自适应技术对复合干扰进行处理，借助backstepping方法进行自适应神经网络跟踪控制器的设计。

【技术特征摘要】
1.一种具有输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)通过加入的死区右逆函数，将包含死区和输入饱和的输入非线性环节等效为输入饱和环节，将该输入非线性加入到NSV姿态模型中；(2)引入跟踪误差的预设性能限制，对跟踪误差信号的瞬态性能和稳态误差同时进行调节，并借助误差转换函数将受预设性能约束的跟踪误差信号转换为不受约束的转换误差信号；(3)构造辅助系统，减小或消除输入非线性对控制系统性能的影响，根据NSV姿态模型的特点，将控制系统分别快慢回路，使用径向基函数(RBF)神经网络对系统未知不确定进行逼近，利用自适应技术对复合干扰进行处理，借助backstepping方法进行自适应神经网络跟踪控制器的设计。2.如权利要求1所述的具有输入非线性的近空间飞行器预设性能姿态跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，输入非线性环节表示为串级结构，其包括非对称的输入饱和环节和死区环节，其中Mc为理想控制输入，为实际控制输入；饱和函数sat(·)表示为：其中Mcmaxi,Mcmini表示第i个控制输入的上下界，vi为饱和环节输出；死区函数Db(·)表示为：其中bri>0,bli<0为已知的死区区间，mri>0,mli>0为死区斜率参数；引入死区函数Db(·)的右逆函数该函数满足定义为：将上述函数放置在输入非线性环节之前，产生新的串级非线性环节，其中为设计的控制律；上述控制律有以下几种情况：情况1：根据饱和函数sat(·)和右逆函数的定义得到：又知因此，根据死区函数Db(·)的定义可知：上述方程能够改写为：情况2：与情况1类似，根据饱和函数sat(·)和右逆函数的定义得到：同时可知因此，根据死区函数Db(·)的定义可知：上述方程能够改写为：情况3：该情况下，从而因此综合考虑上述三种情况，可得：该方程意味着即所有的非线性环节可以整体的看作为新的饱和环节；因此，将死区函数的右逆函数放置于系统输入非线性环节前，就能够采用一般的受限控制方法来处理输入非线性问题；将上述的输入非线性环节加入到NSV姿态模型中得到：其中Ω＝[α,β,μ]T为姿态角向量，分别表示迎角，侧滑角和航迹倾斜角；ω＝[p,q,r]T为姿态角滚转角速率向量，分别表示滚转角速率，俯仰角速率和偏航角速率；F1∈R3,F2∈R3为已知的状态函数向量，G1∈R3×3,G2∈R3×3为已知的系统控制增益矩阵；ΔF1∈R3,ΔF2∈R3为未知的光滑函数，表示系统建模误差；d1∈R3,d2∈R3为未知外部干扰；satb...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈谋，杨青运，
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