一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法，采用测角陀螺与速率陀螺完成飞艇俯仰通道姿态角与姿态角速率的测量，形成俯仰角误差变量，采用角度与角速率信息构造滑模面，综合滑模面与前向速度控制量，采用自适应策略构造俯仰通道姿态角稳定控制律，并输出给飞艇的执行机构，从而实现飞艇俯仰通道的姿态跟踪与稳定；本发明专利技术的有益效果是能够提供比传统PID控制更好的姿态角操纵与反应速度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于低速大延迟飞行器控制
，涉及一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法。
技术介绍
平流层，又称同温层，距离地球表面10km～50km，气流以水平为主，基本没有上下对流，气候条件比较合适，湿度小，具有良好的电磁特性。平流层基本气候条件相对平稳，非常利于飞艇悬停。平流层飞艇因其工作的环境具有良好的气候条件，非常适合作为空中平台进行通讯和观测。从20世纪90年代以来，国际上掀起了研究发展平流层飞艇的高潮。但由于飞艇作为一种低速高空飞行器，具有体积大，难以精确建模；控制操纵不灵活，尤其是其大延迟的特点，使得传统的PID控制难以得到较好的动态特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法，解决了飞艇作为一种低速高空飞行器，具有体积大，难以精确建模；控制操纵不灵活和大延迟的特点，使得传统的PID控制难以得到较好的动态特性的问题。本专利技术所采用的技术方案按照以下步骤进行：步骤1、采用测角陀螺与速率陀螺完成飞艇俯仰通道姿态角与姿态角速率的测量，形成俯仰角误差变量eq＝θ-θd，飞艇俯仰角θ、俯仰角速度q、姿态角θd；步骤2、采用角度与角速率信息构造滑模面：在飞艇上控制计算机中进行乘法与加法运算，形成滑模面s1，其满足如下形式：s1＝c1eq+q其中c1为正的常数；步骤3、综合滑模面与前向速度控制量，采用自适应策略构造俯仰通道姿态角稳定控制律，并输出给飞艇的执行机构，从而实现飞艇俯仰通道的姿态跟踪与稳定；设计飞艇俯仰通道姿态角自适应滑模控制律u1a：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；其初始值选取为Γ1为正常数；其初始值选取为Γ2为正常数；其初始值选取为Γ3为正常数；最终姿态角稳定控制律u1如下：进一步，建立飞艇俯仰通道的微分方程数学模型，近似模拟飞艇俯仰通道的特性，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；飞艇俯仰通道的微分方程数学模型如下：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，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；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2中c1的值为10。进一步，所述步骤3中Γ4＝0.01，k0＝8.5，Γ1＝0.001，Γ2＝0.003，Γ3＝0.001。本专利技术的有益效果是能够提供比传统PID控制更好的姿态角操纵与反应速度。附图说明图1是本专利技术提供的一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法原理框图；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-10度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；图9为本专利技术实施例提供的给定-10度情况下的飞艇俯仰角跟踪曲线。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：采用测角陀螺与速率陀螺完成飞艇俯仰通道姿态角与姿态角速率的测量，形成俯仰角误差信号。如图1所示，采用由测角陀螺与速率陀螺形成的陀螺组合，安装于飞艇俯仰轴位置，分别测量飞艇俯仰角θ与俯仰角速度q，将上述测量信号进行A/D转换，输入给飞艇上的计算机控制系统。同时假设姿态角指令为θd，利用飞艇上控制计算机进行相减，得到俯仰角误差变量eq，那么其满足eq＝θ-θd。步骤二：采用角度与角速率信息构造滑模面。在飞艇上控制计算机中进行乘法与加法运算，形成滑模面，其满足如下形式：s1＝c1eq+q其中c1为正的常数，可优选设计为10。步骤三：综合滑模面与前向速度控制量，采用自适应策略构造俯仰通道姿态角稳定控制律，并输出给飞艇的执行机构，从而实现飞艇俯仰通道的姿态跟踪与稳定设计飞艇俯仰通道姿态角自适应滑模控制律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。s1为滑模面，q为飞艇俯仰角速度。与设计如下：其初始值选取为Γ1为正常数，例如可选取为Γ1＝0.001。其初始值选取为Γ2为正常数，例如可选取为Γ2＝0.003。其初始值选取为Γ3为正常数，例如可选取为Γ3＝0.001。其最终姿态角稳定控制律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：建立如下飞艇俯仰通道的微分方程数学模型，近似模拟飞艇俯仰通道的特性。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，其数据来自于飞艇风洞试验。CX1、CX2、Cz1、Cz2与Cz3为飞艇受力相关的空气动力系数，CM1、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1、采用测角陀螺与速率陀螺完成飞艇俯仰通道姿态角与姿态角速率的测量，形成俯仰角误差变量eq＝θ‑θd，飞艇俯仰角θ、俯仰角速度q、姿态角θd；步骤2、采用角度与角速率信息构造滑模面：在飞艇上控制计算机中进行乘法与加法运算，形成滑模面s1，其满足如下形式：s1＝c1eq+q其中c1为正的常数；步骤3、综合滑模面与前向速度控制量，采用自适应策略构造俯仰通道姿态角稳定控制律，并输出给飞艇的执行机构，从而实现飞艇俯仰通道的姿态跟踪与稳定；设计飞艇俯仰通道姿态角自适应滑模控制律u1a：u1a=-k0s1-k^1s1-k^2q-k^3-k^4u2]]>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；其初始值选取为Γ1为正常数；其初始值选取为Γ2为正常数；其初始值选取为Γ3为正常数；最终姿态角稳定控制律u1如下：u1=30/57.3u1a>30/57.3u1a-30/57.3u1a<-30/57.3.]]>

【技术特征摘要】
1.一种基于角速度信息测量与滑模的飞艇俯仰角稳定方法，其特征在于按照以下步骤进行：步骤1、采用测角陀螺与速率陀螺完成飞艇俯仰通道姿态角与姿态角速率的测量，形成俯仰角误差变量eq＝θ-θd，飞艇俯仰角θ、俯仰角速度q、姿态角θd；步骤2、采用角度与角速率信息构造滑模面：在飞艇上控制计算机中进行乘法与加法运算，形成滑模面s1，其满足如下形式：s1＝c1eq+q其中c1为正的常数；步骤3、综合滑模面与前向速度控制量，采用自适应策略构造俯仰通道姿态角稳定控制律，并输出给飞艇...

【专利技术属性】
技术研发人员：张友安，吴华丽，卢建综，孙玉梅，张彦飞，高贯祥，雷军委，
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