平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法技术

本发明专利技术公开了平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，通过测量飞艇高度与垂向速度，计算高度误差与误差积分，形成高度误差PID控制信号；采用Sigmoid函数与柔化函数分别进行调制并叠加形成最终的期望俯仰角指令信号；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；将得的期望俯仰角指令信号，通过俯仰角跟踪控制器形成俯仰角舵偏控制量，通过不断调整控制参数，观测飞艇高度变化的数据曲线，分析定高飞行的动态响应，最终确定一组飞艇定高飞行的控制方案参数，使得飞艇定高飞行具有满意的动态响应与稳态响应性能。具有PID控制所不具有的抗饱和特性，又保留PID控制的优点。

【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Sigmoid函数和柔化函数调制的平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法。
技术介绍
飞行在平流层高度的自主飞艇，由于具有广阔的军事和民用应用前景，受到了国内外学者和工程技术人员的高度重视。飞艇的高度控制回路设计是基于内回路姿态角跟踪回路已设计完好的基础上进行的。目前广泛采用的从高度误差到姿态角期望信号的转换还是PID控制，但该方法的主要问题是在大范围高度控制情况下，参数调整需要预先设定，难以做到一套参数对所有期望高度都适合。同时高度控制的快速性问题也难以保证。尤其是其难以保证生成期望俯仰角信号符合较强的物理意义，如PID控制参数选取过小，则生成的期望俯仰角信号过小是的高度控制的快速性不足，而如果PID控制参数选取过大，则得到的期望俯仰角信号过大，容易超出飞艇在短时间内所能达到的俯仰角的最大值限制，也就是会产生饱和问题。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供一种平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，采用PID信号进行Sigmoid函数调制与柔化函数调制，利用这两类函数的有界性实现指令的抗饱和特性，同时又能较好地保持PID控制的优点。本专利技术所采用的技术方案是，平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，按照以下步骤进行：步骤一：飞艇高度与垂向速度的测量、高度误差与误差积分的生成，并形成高度误差PID控制信号；步骤二：采用Sigmoid函数与柔化函数分别进行调制并叠加形成最终的期望俯仰角指令信号；步骤三：利用计算机，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；步骤四：将得的期望俯仰角指令信号，通过俯仰角跟踪控制器形成俯仰角舵偏控制量，并将该舵偏控制量代入步骤三所建立的数学模型，通过不断调整控制参数，并观察飞艇各状态的数据并画图，观测飞艇高度变化的数据曲线，分析定高飞行的动态响应，从而最终确定一组飞艇定高飞行的控制方案参数，使得飞艇定高飞行具有满意的动态响应与稳态响应性能。进一步的，所述步骤一具体按照以下步骤进行：首先，由飞艇上高度表测量飞艇的实时高度，记为z，并通过A/D转换传递给艇上计算机，通过和期望高度信号的比较，生成高度误差信号，其中期望高度信号记为zd，高度误差信号记为ez，其满足ez＝z-zd；其次，采用垂直速度传感器测量飞艇的垂向速度，记为w，并通过A/D转换传递给艇上计算机作为误差微分信号，该信号作为误差微分信号的原因在于误差微分信息其中定高飞行时期望高度为常值，故(为期望高度zd的导数，由于其一般为常值，因此导数为0)，故有即可由测量的垂向速度信号w代替误差微分信号；再次，由上述高度误差信号，在艇上计算机中生成误差积分信号Ω，其定义如下：Ω＝∫ezdt其中，t的含义是飞行时间；最终，构成高度误差的PID控制信号：upid＝czez+czsΩ+w或记为如下形式：其中，cz为比例系数，czs为积分系数，微分系数固定为1。进一步的，所述步骤二具体按照以下步骤进行：首先，将PID控制信号采用Sigmoid函数调制得到信号M1，其表达式为其中中e为指数函数，τ为正常数，初步选取为τ＝0.2，upid为PID控制信号；其次，将PID控制信号采用如下柔化函数调制得到信号M2，其表达式为其中ε为柔化系数，选取为正常数，初步选取为；最后，信号M1与信号M2叠加，构造期望俯仰角信号θd如下：θd＝-kz1M1-kz2M2kz1、kz2为控制参数，选取为正常数。进一步的，所述步骤三具体按照以下步骤进行：飞艇俯仰通道的数学模型如下：其中，u1为飞艇俯仰舵偏角，用于稳定与控制飞艇的俯仰姿态角；u2为飞艇的发动机推力，用于提高飞艇向前的飞行速度；f1-f6仅为变量，无物理含义，表达数为；而a11,a13,a22,a31,a33为飞艇质量分布与转动惯量相关的参数，其计算方法通过下面M的逆阵获得，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，M3是为M的子矩阵，用于计算M；m为飞艇的质量，az为飞艇结构参数，az＝16.8，m11、m33、m55分别飞艇在不同方向的质量分布系数决定的参数，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；km1、km2、km3含义是飞艇的x，y，z三个方向的质量分布系数；Iy为飞艇沿y轴方向的转动惯量，Mr是飞艇所排开气体的质量，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；α含义是为飞艇向前与向上速度所形成的夹角；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、CM2、CM1为飞艇受力矩相关的空气动力系数；针对上述复杂模型的分析，简化为如下一阶模型：其中飞艇俯仰通道姿态稳定控制的设计是通过设计飞艇俯仰舵偏角u1来控制飞艇的俯仰角θ跟踪期望的姿态角指令θd。本专利技术的有益效果：通过测量飞艇的当前高度，采用计算机解算出飞艇实时高度与期望高度的误差信号，并测量垂向速度作为误差微分信号，再由高度误差信号生成误差积分信号，得到上述误差的PID(比例-积分-微分)控制信号，最后将该PID信号通过Sigmoid函数与柔化函数的调制得到最终的非线性改进PID控制信号，把该改进PID控制信号作为飞艇俯仰角指令信号，再由飞艇俯仰角跟踪控制器实现对该指令跟踪，当俯仰角跟踪上期望俯仰角指令信号时，即实现了飞艇俯仰通道按照给定高度飞行的控制目的。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术提供的一种基于Sigmoid函数和柔化函数调制的平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法原理图；图2是本专利技术实施例提供的500米定高飞行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500米定高飞行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500米定高飞行情况下的俯仰角小幅波动曲线；图5是本专利技术实施例提供的500米定高飞行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500米定高飞行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500米定高飞行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500米定高飞行情况下的飞艇的俯仰舵偏曲线；图9是本专利技术实施例提供的500米定高飞行情况下的飞艇的俯仰角期望值图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤一：飞艇高度与垂向速度的测量、高度误差与误差积分的生成，并形成高度误差PID控制信号；步骤二：采用Sigmoid函数与柔化函数分别进行调制并叠加形成最终的期望俯仰角指令信号；步骤三：利用计算机，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；步骤四：将得的期望俯仰角指令信号，通过俯仰角跟踪控制器形成俯仰角舵偏控制量，并将该舵偏控制量代入步骤三所建立的数学模型，通过不断调整控制参数，并观察飞艇各状态的数据并画图，观测飞艇高度变化的数据曲线，分析定高飞行的动态响应，从而最终确定一组飞艇定高飞行的控制方案参数，使得飞艇定高飞行具有满意的动态响应与稳态响应性能。

【技术特征摘要】
1.平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤一：飞艇高度与垂向速度的测量、高度误差与误差积分的生成，并形成高度误差PID控制信号；步骤二：采用Sigmoid函数与柔化函数分别进行调制并叠加形成最终的期望俯仰角指令信号；步骤三：利用计算机，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；步骤四：将得的期望俯仰角指令信号，通过俯仰角跟踪控制器形成俯仰角舵偏控制量，并将该舵偏控制量代入步骤三所建立的数学模型，通过不断调整控制参数，并观察飞艇各状态的数据并画图，观测飞艇高度变化的数据曲线，分析定高飞行的动态响应，从而最终确定一组飞艇定高飞行的控制方案参数，使得飞艇定高飞行具有满意的动态响应与稳态响应性能。2.根据权利要求1所述的平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，其特征在于，所述步骤一具体按照以下步骤进行：首先，由飞艇上高度表测量飞艇的实时高度，记为z，并通过A/D转换传递给艇上计算机，通过和期望高度信号的比较，生成高度误差信号，其中期望高度信号记为zd，高度误差信号记为ez，其满足ez＝z-zd；其次，采用垂直速度传感器测量飞艇的垂向速度，记为w，并通过A/D转换传递给艇上计算机作为误差微分信号，该信号作为误差微分信号的原因在于误差微分信息其中定高飞行时期望高度为常值，故期望高度信号zd的导数故有即可由测量的垂向速度信号w代替误差微分信号；再次，由上述高度误差信号，在艇上计算机中生成误差积分信号Ω，其定义如下：Ω＝∫ezdt其中，t的含义是飞行时间；最终，构成高度误差的PID控制信号：upid＝czez+czsΩ+w或记为如下形式：upid=czez+czs∫0tezdt+e·z]]>其中，cz为比例系数，czs为积分系数，微分系数固定为1。3.根据权利要求2所述的平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，其特征在于，所述步骤二具体按照以下步骤进行：首先，将PID控制信号采用Sigmoid函数调制得到信号M1，其表达式为M1=1-e-τupid1+e-τupid]]>其中中e为指数函数，τ为正常数，初步选取为τ＝0.2，upid为PID控制信号；其次，将PID控制信号采用如下柔化函数调制得到信号M2，其表达式为M2=upid|upid|+ϵ]]>其中ε为柔化系数，选取为正常数，初步选取为；最后，信号M1与信号M2叠加，构造期望俯仰角信号θd如下：θd＝-kz1M1-kz2M2kz1、kz2为控制参数，选取为正常数。4.根据权利要求3所述的平流层飞艇定高飞行非线性PID控制方法，其特征在于，所述步骤三具体按照以下步骤进行：飞艇俯仰通道的数学模型如下：u·w·q·θ·x·z·=a11f1+a13f3a22f2a31f1+a...

【专利技术属性】
技术研发人员：张友安，吴华丽，刘海峰，孙玉梅，张吉松，赵静蕾，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