一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法及系统，涉及自动化控制技术领域，包括：根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；基于非线性多输入多输出系统将飞行器的状态变量信息反馈至标称控制器和鲁棒补偿器；基于标称控制器，采用静态反馈控制法对状态变量信息进行处理，获取标称控制输入；基于鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；根据标称控制输入和鲁棒补偿输入获取控制输入，并根据控制输入对飞行器进行控制。本发明专利技术可以同时抑制多种干扰对飞行器闭环控制系统跟踪性能的影响，实现全局一致渐进鲁棒稳定性和有界输入有界状态鲁棒稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法及系统
本专利技术涉及自动化控制
，尤其是涉及一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法及系统。
技术介绍
在过去二十年里，高速无人飞行器作为一种低成本且高效的进入临近空间的货运工具，受到了航空航天工程和飞行控制领域研究人员的广泛关注。然而，高速无人飞行器的模型存在非线性、耦合性、多种不确定性和输入与状态中的时滞等问题。首先，与传统的飞行器相比，高速无人飞行器在推进系统和空气动力学之间存在强耦合，并且模型是高度非线性的。其次，高速无人飞行器动力学涉及多个不确定性，包括参数不确定性，未建模动态和外部干扰，这将严重影响飞行器的飞行效果。最后，在传感器的测量和致动器的动力学中存在输入和状态时滞。上述三点对高速无人飞行器的鲁棒控制器设计构成挑战。目前，已经有许多研究人员尝试通过设计控制器来解决高速无人飞行器模型中存在的强非线性和耦合性。Parker等人基于动态逆方法和保性能控制方法设计了非线性控制器。但是，在稳定性分析中并没有进一步讨论闭环控制系统的不确定性和时滞的影响。Fiorentini等人设计了基于自适应控制方法的鲁棒控制器，以抑制参数不确定性和耦合动力学对控制系统的影响，但动态跟踪性能无法用基于自适应的控制方法来确定。对于高速无人飞行器系统，由于存在非线性和不确定性，鲁棒控制问题十分复杂。此外，如果飞行器动力学中涉及到状态和输入时滞，控制问题就变得更加困难。Sharma等人考虑了单输入单输出(SISO)系统的状态或输入时滞，并对其稳定性进行了分析，但没有进一步讨论耦合动力学问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法及系统，以同时抑制非线性、强耦合和多种不确定性对于高速无人飞行器闭环控制系统跟踪性能的影响，实现全局一致渐进鲁棒稳定性和有界输入有界状态鲁棒稳定性，并且保证闭环控制系统的跟踪误差可以在有限时间内收敛。第一方面，本专利技术实施例提供了一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法，其中，包括：根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；基于所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统将所述飞行器的状态变量信息反馈至标称控制器和鲁棒补偿器；基于所述标称控制器，采用静态反馈控制法对所述状态变量信息进行处理，获取标称控制输入；基于所述鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；根据所述标称控制输入和所述鲁棒补偿输入获取控制输入，并根据所述控制输入对所述飞行器进行控制。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，所述根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；包括：根据下式获取所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统：yi(t)＝xi,1(t),i＝1,2,…,n.其中，xi,j(t)为状态变量，gi为非线性函数，X(t)为状态向量，X(t-hx(t))为时滞状态，U(t-hu(t))为时滞输入，d(t)为外部干扰，yi(t)为输出量，t为时间。结合第一方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据下式获取所述非线性函数：其中，ai为已知向量，bu,i为正数，Δi为等效干扰，Xi(t)为状态向量，ui(t)为控制输入。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，所述基于所述标称控制器，采用静态反馈控制法对所述状态变量信息进行处理，获取标称控制输入，包括：根据下式计算所述标称控制输入：其中，为所述标称控制输入，Ki为反馈增益矩阵，Xi(t)为状态向量。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，所述基于所述鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入，包括：根据下式计算所述鲁棒补偿输入：其中，为所述鲁棒补偿输入，Fi(s)为鲁棒滤波器，Δi为所述等效干扰，所述等效干扰包括输入和状态时滞、耦合性、非线性和不确定性。第二方面，本专利技术实施例还提供一种高速时滞飞行器的鲁棒控制系统，其中，包括：系统建立单元，用于根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；信息反馈单元，用于基于所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统将所述飞行器的状态变量信息反馈至标称控制器和鲁棒补偿器；第一输入单元，用于基于所述标称控制器，采用静态反馈控制法对所述状态变量信息进行处理，获取标称控制输入；第二输入单元，用于基于所述鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；控制输入单元，用于根据所述标称控制输入和所述鲁棒补偿输入获取控制输入，并根据所述控制输入对所述飞行器进行控制。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述系统建立单元包括：根据下式获取所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统：yi(t)＝xi,1(t),i＝1,2,…,n.其中，xi,j(t)为状态变量，gi为非线性函数，X(t)为状态向量，X(t-hx(t))为时滞状态，U(t-hu(t))为时滞输入，d(t)为外部干扰，yi(t)为输出量，t为时间。结合第二方面的第一种可能的实施方式，本专利技术实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，根据下式获取所述非线性函数：其中，ai为已知向量,bu,i为正数，Δi为等效干扰，Xi(t)为状态向量，ui(t)为控制输入。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述第一输入单元包括：根据下式计算所述标称控制输入：其中，为所述标称控制输入，Ki为反馈增益矩阵，Xi(t)为状态向量。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的第四种可能的实施方式，其中，所述第二输入单元，包括：根据下式计算所述鲁棒补偿输入：其中，为所述鲁棒补偿输入，Fi(s)为鲁棒滤波器，Δi为所述等效干扰，等效干扰包括输入和状态时滞、耦合性、非线性和不确定性。本专利技术实施例带来了以下有益效果：本专利技术提供的一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法及系统，包括：根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；基于输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统将飞行器的状态变量信息反馈至标称控制器和鲁棒补偿器；基于标称控制器，采用静态反馈控制法对状态变量信息进行处理；基于鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；根据标称控制输入和鲁棒补偿输入获取控制输入，并根据控制输入对飞行器进行控制。本专利技术可以同时抑制非线性、强耦合和多种不确定性对于高速无人飞行器闭环控制系统跟踪性能的影响，实现全局一致渐进鲁棒稳定性和有界输入有界状态鲁棒稳定性，并且保证闭环控制系统的跟踪误差可以在有限时间内收敛。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。为使本专利技术的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法，其特征在于，包括：根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；基于所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统将所述飞行器的状态变量信息反馈至标称控制器和鲁棒补偿器；基于所述标称控制器，采用静态反馈控制法对所述状态变量信息进行处理，获取标称控制输入；基于所述鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；根据所述标称控制输入和所述鲁棒补偿输入获取控制输入，并根据所述控制输入对所述飞行器进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种高速时滞飞行器的鲁棒控制方法，其特征在于，包括：根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；基于所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统将所述飞行器的状态变量信息反馈至标称控制器和鲁棒补偿器；基于所述标称控制器，采用静态反馈控制法对所述状态变量信息进行处理，获取标称控制输入；基于所述鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入；根据所述标称控制输入和所述鲁棒补偿输入获取控制输入，并根据所述控制输入对所述飞行器进行控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据飞行器特性建立输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统；包括：根据下式获取所述输入和状态时滞的非线性多输入多输出系统：yi(t)＝xi,1(t),i＝1,2,…,n.其中，xi,j(t)为状态变量，gi为非线性函数，X(t)为状态向量，X(t-hx(t))为时滞状态，U(t-hu(t))为时滞输入，d(t)为外部干扰，yi(t)为输出量，t为时间。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据下式获取所述非线性函数：其中，ai为已知向量，bu,i为正数，Δi为等效干扰，Xi(t)为状态向量，ui(t)为控制输入。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述标称控制器，采用静态反馈控制法对所述状态变量信息进行处理，获取标称控制输入，包括：根据下式计算所述标称控制输入：其中，为所述标称控制输入，Ki为反馈增益矩阵，Xi(t)为状态向量。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述鲁棒补偿器，采用鲁棒补偿控制律对等效干扰进行抑制，得到鲁棒补偿输入，包括：根据下式计算所述鲁棒补偿输入：其中，为所述鲁棒补偿输入，Fi(s)为鲁棒滤波器，Δi为所述等效干扰，所述等效干扰包...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昊，张健松，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