[发明专利]一种时变测量延迟输出信号飞行器纵向运动状态观测方法

权利要求书

1.一种时变测量延迟输出信号飞行器纵向运动状态观测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：获取飞行器在俯仰平面内的动力学模型

对飞行器在俯仰平面内的受力情况分析，飞行器受到来自发动机的推力、空气施加的升力和阻力以及俯仰力矩；从而得到飞行器在纵向运动中的动力学方程，对其进行线性化处理后，得到如下所示的动力学模型表达式：

γ·=L‾αα-gVTcosγ+L‾oα·=q+gVTcosγ-L‾o-L‾ααψ·=qq·=Mo+Mδδ---(1)]]>

并且有

L‾o=LomVT,]]>L‾α=LαmVT]]>

式中，γ、α、ψ分别表示飞行器航迹倾角、攻角和俯仰角且有γ＝ψ-α；q为俯仰角变化率；V_T为航速；m和g分别为飞行器质量和重力加速度；L_α表示升力曲线斜率；L_o表示其他对升力的影响因素；M_δ表示控制俯仰力矩；M_o表示其他来源力矩，通常由公式M_o＝M_αα+M_qq近似，δ为舵面偏角；

定义x₁＝γ，x₂＝ψ，x₃＝q，将飞行器纵向模型写成状态空间的表达形式：

x·1=a1x2-a1x1+a2-a3cosx1x·2=x3x·3=b1u+b2(x2-x1)+b3x3---(2)]]>

其中，系统参数a₃＝g/V_T，b₁＝M_δ＞0，b₂＝M_α，b₃＝M_q；

此外，由于该系统模型中的输出y＝x₁(t)，包含有一定的延迟环节，将时变延时输出表达为：

y‾=x1(t-δ(t))]]>

其中δ(t)为随时间变化的延迟时间，满足|δ(t)|≤1.5；

步骤2：设计观测器

根据上个步骤中获得的动力学模型，对其进行分析，便设计出满足要求的观测器结构；在保证观测误差收敛的同时，还需要保证观测速度能快速达到设计要求；观测器结构中包含了模型估计环节和增益调节环节，其数学表达式如下所示：

x^·1=a1x^2-a1x^1+a2-a3cosx^1+G(1)x^·2=x^3+G(2)x^·3=b1u+b2(x^2-x^1)+b3x^3+G(3)---(3)]]>

其中G(·)为设计的观测器调节增益环节，其表达式为：

G(·)=Q-1K(y‾-x^1(t-δ(t)))]]>

其中

Q=100M1a10M2M3a1]]>

M1=-a1+a3sinx^1]]>M3=-a12+a1a3sinx^1]]>

M2=a12-2a1a3sinx^1-a1a3x^1cosx^1+a1a3x^2cosx^2+a2a3cosx^1+a32sin2x^1-a32cos2x^1]]>

而K＝[k₁k₂k₃]^T为欲配置极点的配置参数矩阵；若期望配置的极点位置为λ₁＝-e₁，λ₂＝-e₂，λ₃＝-e₃，e_i＞0，则矩阵K的计算公式为：

k1=e1+e2+e3k2=e1e2+e2e3+e3e1k3=e1e2e3---(4)]]>

对上述提出的观测器进行Lyapunov-Razumikhin收敛性分析；首先根据式(2)和式(3)，整理出观测误差ξ状态方程的表达式，然后定义Lyapunov函数V(ξ)，利用Razumikhin理论，对其进行收敛性分析；采用观测器式(3)，证明出其中ω＞0，即可保证所设计的观测器的收敛性，同时也说明了所提出的观测方法的有效性；但是由于所设计的观测器中包含有很多的参数，为了使观测效果达到最好，即观测器的响应速度最快和观测误差超调量最小，需要对观测器中的参数进行调整；

步骤3：调节观测参数，查看观测效果

按照上一步中所设计的观测器结构，对观测器中的参数进行调节，并查看观测效果是否满足要求，如果不满足则继续调节参数，一直到符合要求为止；

在仿真中，选择飞行器系统的参数为：M_α＝0.1，M_q＝-002，M_δ＝1.0.设定稳定航速为V_T＝200m/s，g取9.8m/s²，即：

a₁＝1，a₂＝-0.1，a₃＝g/Vt

b₁＝1，b₂＝0.1，b₃＝-0.02

以上参数均是飞行器本身所固有的参数，不需要做调整；而在仿真过程中，调节的参数是欲配置的极点坐标位置，经过多调节后，最终所选择欲配置的极点坐标的绝对值大小为：

e1=0.261e2=0.262e3=0.263]]>

此外，在仿真中还加入噪声环节，所加入的噪声的幅值为0.001；

步骤4：设计结束

整个设计过程重点考虑了两个方面的要求，一个是所设计的观测器的收敛性问题；另外一个是要保证观测效果能够满足发明要求；第一步中，需要确定飞行器在俯仰平面内的动力学模型；第二步中，需要设计出满足要求的观测器；第三步，是对之前所设计出的观测器进行参数调整。