[发明专利]基于多控制器融合的无尾飞行器协调转弯控制方法

权利要求书

1.一种基于多控制器融合的无尾飞行器协调转弯控制方法,其特征在于：所述多控制器分为对滚转角速率p与偏航角速率r的内环控制、对航迹滚转角φ_w和侧滑角β的外环控制；所述内环控制以鲁棒自适应非线性逆控制为主控制器，并采用H_∞次最优控制为补偿器，外环控制器采用非线性逆控制；其控制过程包括：

1)、外环控制器根据制导环节的期望指令与飞行器当前的航迹滚转角φ_w与侧滑角β状态反馈，通过求逆运算得到滚转角速率p、偏航角速率r的期望值并输出到鲁棒模型参考控制器；

2)、鲁棒模型参考控制器接收到来自外环控制器的期望指令,并依据参考模型动态与飞行器实际输出的动态误差e来自适应调节鲁棒模型参考控制器的参数，得出鲁棒模型参考自适应控制量；

3)、H_∞补偿器依据动态误差e对鲁棒模型参考控制器进行补偿并和步骤2)所得到的鲁棒模型参考自适应控制量综合得到鲁棒自适应虚拟滚转控制力矩与偏航控制力矩N_a输出到内环逆控制器；

4)、内环逆控制器根据鲁棒自适应虚拟滚转控制力矩与偏航控制力矩N_a以及飞行器当前的状态反馈，通过逆控制抵消飞行器的非线性耦合项，得到飞行器当前所需要的真实滚转控制力矩与偏航控制力矩N并输出到控制分配环节；

5)、控制分配环节将所需的控制力矩量δ分配到飞行器的各个执行舵机，实现协调转弯控制。

2.根据权利要求1所述的基于多控制器融合的无尾飞行器协调转弯控制方法,其特征在于：所述主控制器采用滚转角速率p与偏航角速率r作为反馈控制信号，构造鲁棒自适应非线性逆控制，其构建步骤为：

1)、建立无尾飞行器滚转角速率p与偏航角速率r内环非线性动力学模型：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{p}\\ \stackrel{\·}{r}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(c_{1}r+c_{2}p)q\\ (c_{5}p-c_{2}r)q\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{c}_3& c_4\\ c_4& c_6\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{L}\\ N\end{array}\right]$

其中，c₁-c₆为内环模型系数；I_x、I_y、I_z与I_xz表示无尾飞行器的转动惯量和惯性积；q为俯仰角速率；与N为飞行器当前所需要的真实滚转与偏航力矩控制量；

2)、构建内环逆控制器：

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{L}\\ N\end{array}\right]=-{\left[\begin{array}{cc}{c}_3& c_4\\ c_4& c_6\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}(c_{1}r+c_{2}p)q-a_m^p\·p-b_m^p\·u_p\\ (c_{5}p-c_{2}r)q-a_m^r\·r-b_m^r\·u_r\end{array}\right]$

其中，为任意选取的控制参数，[u_p,u_r]^T为待设计的鲁棒模型参考控制器；

3)、构建鲁棒模型参考控制器，将步骤2)内环逆控制器代入内环非线性动力学方程有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_{Lat}=A_{Lat}{X}_{Lat}+B_{Lat}{U}_{Lat}\\ Y_{Lat}={\mathrm{CX}}_{Lat}\end{array}\right.;$

其中，X_Lat＝[p,r]^T为横侧向状态向量，Y_Lat为横侧向输出向量，U_Lat＝[u_p,u_r]^T为待设计的鲁棒模型参考控制器，为解耦后的状态矩阵，为解耦后的控制输入阵，C＝[57.3,57.3]为输出矩阵；

4)、选取参考模型：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{\hat{X}}=A_m\hat{X}+B_m{U}_g\\ \hat{Y}=C_m\hat{X}\end{array}\right.$

其中：为构造的参考模型状态量，为构造的参考模型输出量，p_m为参考模型的滚转角速率期望状态输出，r_m为偏航角速率期望状态输出；U_g为外环控制器给定的期望指令，U_g＝[p_g,r_g]^T；A_m为任意选取的2阶霍尔维茨方阵，B_m、C_m为任意选取的参数向量；

5)、构造鲁棒模型参考自适应控制：

$U_{Lat}=\left[\begin{array}{c}{u}_p\\ u_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{p}p+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_1{p}_g\\ {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{r}r+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_2{r}_g\end{array}\right]$

其中：分别为鲁棒模型参考控制器中的自适应参数，p_g为外环控制器给定的滚转角速率期望指令，r_g外环控制器给定的偏航角速率期望指令；

与鲁棒自适应律：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\Θ}}}}_1=\mathrm{Pr}oj({\widehat{\mathrm{\Θ}}}_1,-{\mathrm{\Γ}}_1{e}_1{b}_m^p{\mathrm{\ω}}_1)\\ {\stackrel{\·}{\widehat{\mathrm{\Θ}}}}_2=\mathrm{Pr}oj({\widehat{\mathrm{\Θ}}}_2,-{\mathrm{\Γ}}_2{e}_2{b}_m^r{\mathrm{\ω}}_2)\end{array}\right.$

其中：为鲁棒模型参考控制器U_Lat参数向量；ω₁＝[p,p_g]为滚转通道状态向量，ω₂＝[r,r_g]为偏航通道状态向量，为滚转与偏航通道状态跟踪误差向量；和为自适应增益阵；Proj为投影算子；和分别为任意选取的控制参数。