[发明专利]一种输入输出饱和的飞行器鲁棒控制方法

说明书

本发明公开了一种输入输出饱和的飞行器鲁棒控制方法，包含以下步骤：步骤一：建立近空间飞行器的姿态运动模型；步骤二：给出引理和假设；步骤三：设计二阶滑模干扰观测器对未知外部干扰进行估计，为消除外部干扰的影响；步骤四：引入系统转换技术，并设计辅助系统，借助backstepping方法进行近空间飞行器姿态鲁棒自适应控制器设计。本发明同时考虑了输入输出饱和，能够有效快速的跟踪期望信号。

技术领域

本发明设计一种飞行器鲁棒控制方法，特别是一种输入输出饱和的飞行器鲁棒控制方法。

背景技术

与传统航空飞行器相比，近空间飞行器飞行主要的飞行空域为20-100km，从而造成其飞行环境多变；又由于其特殊物理特性，造成飞行速度变化范围大，这些特性都使得近空间飞行器成为一个复杂的不确定非线性系统，对其控制系统的设计也提出了较大的挑战。近年来，已经有多种非线性控制方法得到了发展，如滑模控制，基于鲁棒性或自适应性的控制和预测控制等，并大量应用于进空间飞行器。

与其他实际物理系统一样，近空间飞行器在控制舵面及发动机推力上存在着诸多的物理限制，如幅值，带宽，偏转速度等，导致了控制输入和系统部分状态受到约束，又由近空间飞行器的特性可知，受约束的控制输入会导致系统部分或全部输出也受到约束，从而导致控制系统中输入输出饱和问题的产生。如果在控制系统的设计过程中，不考虑该问题的影响，会严重影响控制器性能。

目前，针对近空间飞行器中输入饱和问题已经有了部分研究。现有技术未有相关文献在近空间飞行器控制系统设计与研究中同时考虑存在输入输出饱和。另外，由于近空间飞行器多变的飞行环境，不可避免会受到外部扰动的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种输入输出饱和的飞行器鲁棒控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种输入输出饱和的飞行器鲁棒控制方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：建立近空间飞行器的姿态运动模型；

步骤二：给出引理和假设；

步骤三：设计二阶滑模干扰观测器对未知外部干扰进行估计，为消除外部干扰的影响；

步骤四：引入系统转换技术，并设计辅助系统，借助backstepping方法进行近空间飞行器姿态鲁棒自适应控制器设计。

进一步地，所述步骤一具体为，

近空间飞行器的姿态运动模型可以表示为如下形式：

其中，姿态角向量Ω＝[α,β,μ]^T包含了迎角、侧滑角和滚转角，姿态角速度向量ω＝[p,q,r]^T包含了滚转角速率、俯仰角速率和偏航角速率，控制力矩向量M_c＝[l_c,m_c,n_c]^T包含了滚转角、俯仰角和偏航角力矩；F₁∈R³和F₂∈R³为已知的系统状态函数，G₁∈R^3×3和G₂∈R^3×3为已知的系统控制矩阵，ΔF₁∈R³和ΔF₂∈R³为未知的光滑函数，d₁∈R³和d₂∈R³代表外部扰动；

由近空间飞行器的动力学特性可知，外部扰动多作用在系统力矩上，因此将所有干扰等效为力矩扰动，即只考虑干扰d₂，同时将不确定项ΔF₂与力矩干扰综合考虑为复合干扰，系统(1)可以改写为如下形式：