飞行器鲁棒非线性控制方法及鲁棒控制器系统技术方案

本发明专利技术提供了飞行器鲁棒非线性控制方法及鲁棒控制器系统：根据飞行器模型特点设计标称控制系统，结合第n控制输入指令得到第n误差状态信息，第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰；设计状态反馈控制器来配置系统极点，改善系统动态响应，得到状态反馈控制输入；设计鲁棒补偿输出控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；根据状态反馈控制输入和鲁棒补偿输入，并采用动态逆控制律对第n误差状态信息进行抑制，得到第n+1控制输入指令；重复执行以得到满足误差阈值的第n+1误差状态信息。本发明专利技术可以减少系统的转换，对多个不确定性实现完整考虑，缩短跟踪误差的收敛时间，以及实现不确定性的影响可以在整个频率范围内得到抑制。

【技术实现步骤摘要】
飞行器鲁棒非线性控制方法及鲁棒控制器系统
本专利技术涉及自动化控制
，尤其是涉及飞行器鲁棒非线性控制方法及鲁棒控制器系统。
技术介绍
高速飞行器是快速、可靠、节约成本地接近临近空间的有效平台。2011年猎鹰高速飞行器滑行阶段机动任务失败，表明了高速飞行器的鲁棒控制器设计是是高速飞行器可行可靠的关键技术挑战之一。高速飞行器的鲁棒控制器设计原则应保证稳定性和闭环控制系统的跟踪性能。然而高速飞行器动力学涉及飞行动力学与推进系统之间的强非线性和强耦合动态，以及包括参数不确定性、模型不匹配性和外部干扰等很多不确定因素，导致高速飞行器闭环控制系统的鲁棒性能难以保证。目前解决高速飞行器控制器设计问题主要有两种方案。一种通常利用H∞控制、回路成形控制和μ综合等线性鲁棒控制方法解决在配平状态下的高速飞行器的轨迹跟踪控制问题。这些方法中参数变化和非线性耦合动态等通常被认为是控制器设计中的不确定性，这可能导致鲁棒线性控制器设计的转换问题。另一种采用基于高速飞行器纵向模型的反步法，利用已知的飞行器非线性和耦合动态的信息来减少鲁棒控制器设计的转换。但是反步控制方法设计的闭环系统很难对多个不确定性进行鲁棒控制。将反步法和回路成形控制结合来实现高速飞行器的鲁棒飞行，但不能在整个频率范围内抑制不确定性对控制系统的影响。国内外众多学者提出了各种方法来设计鲁棒控制器，但都没能完整地考虑到高度非线性，强耦合动态和多重不确定性综合对鲁棒控制器的影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供飞行器鲁棒非线性控制方法及鲁棒控制器系统，以减少系统的转换，对多个不确定性实现完整考虑，缩短跟踪误差的收敛时间，以及实现不确定性的影响可以在整个频率范围内得到抑制。第一方面，本专利技术实施例提供了一种飞行器鲁棒非线性控制方法，其中，包括：根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统，并结合第n控制输入指令得到第n误差状态信息，所述第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰；将所述第n误差状态信息引入到所述反馈线性化控制器、鲁棒补偿器和状态反馈控制器；对所述状态反馈控制器进行设计，得到基于极点配置的状态反馈控制律，并采用所述状态反馈控制律对所述线性误差系统进行改善，得到状态反馈控制输入；对所述鲁棒补偿器进行设计，得到鲁棒补偿输出控制律，并采用所述鲁棒补偿输出控制律对所述等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入，并采用动态逆控制律对所述第n误差状态信息进行抑制，得到第n+1控制输入指令；重新根据给定参数和所述第n+1控制输入指令得到满足误差阈值的第n+1误差状态信息。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统，并结合第n控制输入指令得到第n误差状态信息，所述第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰，包括：获取所述给定参数；根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统；获取所述第n控制输入指令，并结合所述标称控制系统得到控制参数；根据所述给定参数和所述控制参数得到跟踪误差，并根据所述跟踪误差得到所述第n误差状态信息。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述对所述状态反馈控制器进行设计，得到基于极点配置的状态反馈控制律，并采用所述状态反馈控制律对所述线性误差系统进行改善，得到状态反馈控制输入，包括：所述状态反馈控制律根据下式获得：vi,SF＝-Ki,SFEi,i＝1,2，其中，vi,SF为所述状态反馈控制输入，Ki,SF为状态反馈增益，Ei(i＝1,2)为第n误差状态信息。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述对所述鲁棒补偿器进行设计，得到鲁棒补偿输出控制律，并采用所述鲁棒补偿输出控制律对所述等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入，包括：所述鲁棒补偿输出控制律根据下式获得：vi,RC＝-Fi(1-Fi)-1Giyi,i＝1,2，其中，vi,RC为所述鲁棒补偿输入，Fi为滤波器参数，Gi为所述鲁棒补偿器的传递函数，yi＝CiEi,i＝1,2，且Ei(i＝1,2)为第n误差状态信息，结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入，并采用动态逆控制律对所述第n误差状态信息进行抑制，得到第n+1控制输入指令，包括：根据所述给定参数得到给定指令；基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入得到虚拟输入指令；根据所述给定指令和所述虚拟输入指令，并采用所述动态逆控制律对所述第n误差状态信息进行抑制，得到所述第n+1控制输入指令。结合第一方面的第四种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述根据所述给定指令和所述虚拟输入指令，并采用所述动态逆控制律对所述第n误差状态信息进行抑制，得到所述第n+1控制输入指令，包括：所述动态逆控制律根据下式获得：ui＝(Gi*)-1(vi-W+rce)，其中，ui为所述第n+1控制输入指令，Gi*和W分别为标称系统的动态参数，rce为所述给定指令，vi为所述虚拟输入指令。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述给定参数包括给地速度参数和给定高度参数。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述第n控制输入指令包括节流阀开度指令和舵偏角。第二方面，本专利技术实施例还提供一种鲁棒控制器系统，其中，包括：设置于动态系统中的高速飞行器，设置于速度通道中的速度通道反馈线性化控制器、速度通道鲁棒补偿器和速度通道状态反馈控制器，以及设置于高度通道中的高度通道反馈线性化控制器、高度通道鲁棒补偿器和高度通道状态反馈控制器；所述高速飞行器分别向所述速度通道和所述高速通道反馈状态误差信息，所述速度通道状态反馈控制器、速度通道鲁棒补偿器和速度通道反馈线性化控制器依次对所述状态误差信息进行抑制，并向所述高速飞行器输入节流阀开度指令，同时，所述高度通道状态反馈控制器、高度通道鲁棒补偿器和高度通道反馈线性化控制器依次对所述状态误差信息进行抑制，并向所述高速飞行器输入舵偏角。第三方面，本专利技术实施例还提供一种鲁棒控制器系统，其中，包括：第一误差输出单元，用于根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统，并结合第n控制输入指令得到第n误差状态信息，所述第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰；引入单元，用于将所述第n误差状态信息引入到所述反馈线性化控制器、鲁棒补偿器和状态反馈控制器；第一抑制单元，用于对所述状态反馈控制器进行设计，得到基于极点配置的状态反馈控制律，并采用所述状态反馈控制律对所述线性误差系统进行改善，得到状态反馈控制输入；第二抑制单元，用于对所述鲁棒补偿器进行设计，得到鲁棒补偿输出控制律，并采用所述鲁棒补偿输出控制律对所述等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；第三抑制单元，用于基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入，并采用动态逆控制律对所述第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞行器鲁棒非线性控制方法，其特征在于，包括：根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统，并结合第n控制输入指令(βc,δe)得到第n误差状态信息Ei(i＝1,2)，所述第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰；将所述第n误差状态信息Ei(i＝1,2)引入到所述反馈线性化控制器、鲁棒补偿器和状态反馈控制器；对所述状态反馈控制器进行设计，得到基于极点配置的状态反馈控制律，并采用所述状态反馈控制律对所述线性误差系统进行改善，得到状态反馈控制输入vi,SF；对所述鲁棒补偿器进行设计，得到鲁棒补偿输出控制律，并采用所述鲁棒补偿输出控制律对所述等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入vi,RC(s)；基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入，并采用动态逆控制律对所述第n误差状态信息进行抑制，得到第n+1控制输入指令u；重新根据给定参数Vc、hc和所述第n+1控制输入指令得到满足误差阈值的第n+1误差状态信息。

【技术特征摘要】
1.一种飞行器鲁棒非线性控制方法，其特征在于，包括：根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统，并结合第n控制输入指令(βc,δe)得到第n误差状态信息Ei(i＝1,2)，所述第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰；将所述第n误差状态信息Ei(i＝1,2)引入到所述反馈线性化控制器、鲁棒补偿器和状态反馈控制器；对所述状态反馈控制器进行设计，得到基于极点配置的状态反馈控制律，并采用所述状态反馈控制律对所述线性误差系统进行改善，得到状态反馈控制输入vi,SF；对所述鲁棒补偿器进行设计，得到鲁棒补偿输出控制律，并采用所述鲁棒补偿输出控制律对所述等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入vi,RC(s)；基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入，并采用动态逆控制律对所述第n误差状态信息进行抑制，得到第n+1控制输入指令u；重新根据给定参数Vc、hc和所述第n+1控制输入指令得到满足误差阈值的第n+1误差状态信息。2.根据权利要求1所述的飞行器鲁棒非线性控制方法，其特征在于，所述根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统，并结合第n控制输入指令(βc,δe)得到第n误差状态信息Ei(i＝1,2)，所述第n误差状态信息包括线性误差系统和等效干扰，包括：获取所述给定参数Vc、hc；根据飞行器模型特点，设计反馈线性化控制器作为模型的标称控制系统；获取所述第n控制输入指令(βc,δe)，并结合所述标称控制系统得到控制参数V、h；根据所述给定参数Vc、hc和所述控制参数V、h得到跟踪误差(eV＝V-Vc和eh＝h-hc)，并根据所述跟踪误差得到所述第n误差状态信息Ei(i＝1,2)。3.根据权利要求1所述的飞行器鲁棒非线性控制方法，其特征在于，所述对所述状态反馈控制器进行设计，得到基于极点配置的状态反馈控制律，并采用所述状态反馈控制律对所述线性误差系统进行改善，得到状态反馈控制输入，包括：所述状态反馈控制律根据下式获得：vi,SF＝-Ki,SFEi,i＝1,2，其中，vi,SF为所述状态反馈控制输入，Ki,SF为状态反馈增益，Ei(i＝1,2)为第n误差状态信息。4.根据权利要求1所述的飞行器鲁棒非线性控制方法，其特征在于，所述对所述鲁棒补偿器进行设计，得到鲁棒补偿输出控制律，并采用所述鲁棒补偿输出控制律对所述等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入，包括：所述鲁棒补偿输出控制律根据下式获得：vi,RC＝-Fi(1-Fi)-1Giyi,i＝1,2，其中，vi,RC为所述鲁棒补偿输入，Fi为滤波器参数，Gi为所述鲁棒补偿器的传递函数，yi＝CiEi,i＝1,2，且Ei(i＝1,2)为第n误差状态信息，5.根据权利要求1所述的飞行器鲁棒非线性控制方法，其特征在于，所述基于所述反馈线性化控制器，根据所述状态反馈控制输入和所述鲁棒补偿输入，并采用动态逆...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昊，马腾，蔡国飙，刘德元，赵万兵，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11