一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，针对巡航飞行阶段的近空间飞行器NSV(Near Space Vehicle)六自由度十二状态模型,设计一种鲁棒自适应轨迹跟踪控制策略。首先，提出一种全新的动态模型近似方法应用于姿态跟踪控制器的设计。其次，设计自适应终端滑模干扰观测器ATSMDO(Adaptive Terminal Sliding Mode Disturbance Observer)。然后，采用基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模，分别给出姿态跟踪控制器的设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法
本专利技术涉及自动控制
，具体涉及一种六自由度十二状态近空间飞行器的基于双幂次趋近律的快速非奇异终端滑模姿态跟踪控制方法。
技术介绍
近空间飞行器(NearSpaceVehicle，NSV)是指工作于近空间，并完成一定任务的飞行器。近空间飞行器具有卫星、飞机、战术导弹等各方面的特点，是未来各国争夺制天/空权的重要战略性武器。与传统飞机相比，NSV具有驻空时间较长、覆盖范围大、生存能力强和性价比高等优点，但其观察范围小，受相关国家领空权的限制。NSV作为一个新型的飞行器，有着诱人的应用前景，具有强耦合性、快时变性、强非线性等特点。NSV在执行爬升、降落、机动规避、巡航侦查等各项任务过程中遇到的恶劣环境，会使其对高度、外形、马赫数等因素更为敏感。因此，对NSV飞行姿态控制稳定性的研究至关重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，解决现有技术中缺乏对NSV的系统研究，对其进行轨迹跟踪时误差较大、稳定性较差的问题。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，包括以下步骤：S1、建立近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型；S2、利用自适应终端滑模干扰观测器，获取复合干扰估计值；S3、采用基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模，设计姿态跟踪控制器。进一步地，所述近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型包括:姿态角回路模型：角速率回路模型：上式中的各变量表示的含义如下：Ω＝[α,β,μ]T，α为飞行器的攻角，β为飞行器的侧滑角，μ为飞行器的滚转角，V为空速，ω＝[p,q,r]T,p为滚转角速率，q为俯仰角速率，r为偏航角速率，M＝[lctrl,mctrl,nctrl]，lctrl、mctrl和nctrl分别为滚转、俯仰和偏航方向上的控制力矩，T为发动机推力，ds和df为对应回路的复合干扰。进一步地，所述利用自适应终端滑模干扰观测器，获取复合干扰估计值，具体如下：设计如下自适应终端滑模干扰观测器对系统未知干扰进行估计式中，φ＝f(x)+g(x)u，zd为干扰观测器状态，d＝[d1,d2,d3]T系统复合干扰，ud＝[ud1,ud2,ud3]T为干扰估计值，ed为干扰观测器误差，σ为终端滑模变量，A＝diag{a1,a2,a3}，B＝diag{b1,b2,b3}均为对称正定常数矩阵，ηd为对称正定常数矩阵,F＝diag{p/q}3×3，p,q为正奇数，且满足1＜p/q＜2,K＝diag{k1,k2,k3}为自适应项，0＜λd＜1为待设计的正常数，获取的复合干扰估计值包括：姿态角回路模型和角速度回路模型中的复合干扰估计值进一步地，所述采用基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模，设计姿态跟踪控制器，具体包括以下步骤：定义系统跟踪误差为e＝y-yd，设计快速非奇异终端滑模如式(34)s＝E+η-1e+μ-1eg/h(34)式中，s＝[s1,s2,s3]T，η＝diag{η1,η2,η3}和μ＝diag{μ1,μ2,μ3}为待设计的对阵正定矩阵，g，h为正奇数，且满足1＜g/h＜2；对式(34)进行求导，并代入式可得设计双幂次趋近律如：式中，sigm(s)＝[sigm(s1),sigm(s2),sigm(s3)]T，sign(s)＝[sign(s1),sign(s2),sign(s3)]T，m，n为两个正奇数的比值，且满足m＞1，0＜n＜1，k1＞0，k2＞0为待设计的对称正定矩阵；设计控制器如下：姿态角控制器：角速率控制器：ωd＝[pd,qd,rd]T为期望滚转角速率，q为期望俯仰角速率，r为期望偏航角速率，k1s,k2s＞0为设计的正定矩阵，es为姿态角跟踪误差，为ds的估计值，yd＝[αd,βd,μd]T为实际的姿态跟踪指令信号，为姿态角实际指令导数，λs为姿态角的鲁棒项系数矩阵；M＝[lctrl,mctrl,nctrl]，lctrl、mctrl和nctrl分别为滚转、俯仰和偏航方向上的控制力矩，k1f,k2f＞0为设计的正定矩阵，ef＝ω-ωd为角速率误差，为df的干扰估计值，为角速度实际指令导数，λf为角速率的鲁棒项系数矩阵。本专利技术的有益效果是，本专利技术的近空间飞行器的轨迹跟踪控制方法的自适应终端滑模干扰观测器在有限时间内估计出飞行器存在的未知复合干扰，相较于现有的成果具有更少的未知项，例如，干扰估计误差的导数，且具有更快的收敛速度，更利于在工程中实现；二是与传统的终端滑模控制器相比，基于双幂次趋近律的快速非奇异滑模控制器可以使跟踪误差在较短时间内收敛于零。附图说明图1是本专利技术方法流程图；图2是本专利技术实施例姿态角响应曲线仿真图；图3是本专利技术实施例姿态角速度曲线仿真图；图4是本专利技术实施例左、右升降副翼偏转角控制俯仰力矩，滚转力矩及方向舵偏角控制偏航力矩曲线仿真图。具体实施方式如图1所示，一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，包括以下步骤：S1、建立近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型；S2、利用自适应终端滑模干扰观测器，获取复合干扰估计值；S3、采用基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模，设计姿态跟踪控制器。下面对每一步骤进行详细说明。步骤1：建立近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型。建立六自由度十二状态近空间飞行器数学模型如式(1)～式(12)所示：其中，气动力及气动力矩表达式如下所示：mA＝mmrc-XcgZ，nA＝nmrc+XcgY，Z＝-Dsinα-Lcosα，CD＝CD,α+CD,δeδe+CD,δrδr+CD,δcδc，CY＝CY,ββ+CY,δeδe+CY,δaδa+CD,δrδr，CL＝CL,α+CL,δeδe+CL,δaδa+CL,δcδc,Cl＝Cl,ββ+Cl,δeδe+Cl,δaδa+Cl,δrδr+Cl,ppb/2V+Cl,rrb/2V,Cm＝Cm,α+Cm,δeδe+Cm,δaδa+Cm,δrδr+Cm,δcδc+Cm,qqc/2V,Cn＝Cn,ββ+Cn,δeδe+Cn,δaδa+Cn,δrδr+Cn,ppb/2V+Cn,rrb/2V，其中，x,y,z为NSV在地面坐标轴系上的位置，γ为飞行器的航迹倾斜角，χ为飞行器的航迹方位角，α为飞行器的攻角，β为飞行器的侧滑角，μ为飞行器的滚转角，p为滚转角速率，q为俯仰角速率，r为偏航角速率，L、Y和D分别为升力、侧向力和阻力，T为发动机推力，M和g分别为质量和重力加速度，Ixx、Iyy和Izz分别为绕机体轴x、y和z的转动惯量，为NSV动压，S为飞行器的气动参考面积，δe为左升降副翼舵偏转角，δα为右升降副翼舵偏转角，δr为方向舵偏转角，ρ为NSV所处地的大气密度，Xcg为NSV质心到参考力矩中心点的距离。NSV姿态方程(7)至式(9)可用如下仿射非线性形式表达：式中，Ω＝[α,β,μ]T为NSV的攻角、侧滑角和滚转角，ω＝[p,q,r]T为NSV的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，δ＝[δe,δa,δr,δc,δx,δy,δz]T为NSV操纵舵面偏转角，分别为左右升降副翼舵面偏转角、方向舵面偏转角以及推力矢量舵面在机体轴三个方向上的等效偏转角，fs＝[fα,fβ,fμ]T，gs和gδ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，其特征是，包括以下步骤：S1、建立近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型；S2、利用自适应终端滑模干扰观测器，获取复合干扰估计值；S3、采用基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模，设计姿态跟踪控制器。

【技术特征摘要】
1.一种近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，其特征是，包括以下步骤：S1、建立近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型；S2、利用自适应终端滑模干扰观测器，获取复合干扰估计值；S3、采用基于双幂次趋近律的非奇异快速终端滑模，设计姿态跟踪控制器。2.如权利要求1所述的近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，其特征是，所述近空间飞行器巡航飞行阶段的六自由度十二状态非线性模型包括:姿态角回路模型：角速率回路模型：上式中的各变量表示的含义如下：Ω＝[α,β,μ]T，α为飞行器的攻角，β为飞行器的侧滑角，μ为飞行器的滚转角，V为空速，ω＝[p,q,r]T,p为滚转角速率，q为俯仰角速率，r为偏航角速率，M＝[lctrl,mctrl,nctrl]，lctrl、mctrl和nctrl分别为滚转、俯仰和偏航方向上的控制力矩，T为发动机推力，ds和df为对应回路的复合干扰。3.如权利要求1所述的近空间飞行器的姿态跟踪控制方法，其特征是，所述利用自适应终端滑模干扰观测器，获取复合干扰估计值，具体如下：设计如下自适应终端滑模干扰观测器对系统未知干扰进行估计式中，φ＝f(x)+g(x)u，zd为干扰观测器状态，d＝[d1,d2,d3]T系统复合干扰，ud＝[ud1,ud2,ud3]T为干扰估计值，ed为干扰观测器误差，σ为终端滑模变量，A＝diag{a1,a2,a3}，B＝diag{b1,b2,b3}均为对称正定常数矩阵，ηd为对称正定常数矩阵,F＝diag{p/q}3×3，p,q为正奇数，且满足1＜p/q＜2,K＝diag{k1,k2,k3}为自适应项，0＜λd＜1为待设...

【专利技术属性】
技术研发人员：王翠，张强，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37