[发明专利]一种基于非线性反馈和微分跟踪的飞行器姿态控制方法

说明书

本发明涉及一种基于非线性反馈和微分跟踪的飞行器姿态控制方法，采用基于最速控制综合函数的非线性反馈作为姿态控制器，在提高快速性控制指标3倍以上，控制精度指标50％以上的同时，相比背景技术大幅降低工程实现难度，且控制参数仍保持为4个。利用积分链式微分器设计不确定项补偿器，在保持控制器抗干扰能力的同时，仅需1个控制参数，而背景技术采用的补偿器需要7个参数。整个控制方案所需参数为5个，相比背景技术控制参数减少50％以上，大幅降低参数整定难度。利用萤火虫算法进行控制器参数的寻优整定，整定迭代次数相比背景技术减少10倍以上，具有更强的工程适用性。

技术领域

本发明属于飞行器姿态控制抗干扰控制方法，涉及一种基于非线性反馈和微分跟踪的飞行器姿态控制方法，特别是针对存在内外扰动、参数摄动情况下的飞行器姿态控制问题。

背景技术

当运载火箭这类具有轴对称特点的飞行器为完成预定任务结构愈加复杂时，其在飞行过程中会受到阵风、参数摄动、未知干扰等不确定性因素影响的程度大幅增加，导致采用传统比例微分(Proportion-Differential，PD)运载火箭姿态控制系统稳定裕度降低，甚至有失稳风险。因此有必要设计抗干扰能力强的飞行器姿态控制方法。

文献“运载火箭的抗干扰分数阶控制器设计，系统工程与电子技术，2015，Vol.37(9)，p2109-2114”公开了一种基于分数阶微分的运载火箭姿态控制器设计方法，采用分数阶PD控制结构作为姿态控制器，利用扩张观测器作为补偿器对内外干扰和未建模部分进行估计，由姿态控制器输出和补偿器的干扰估计共同构成控制指令输出实现姿态控制，取得了不错的抗干扰控制效果。文献所设计的控制器需要使用分数阶微分，而目前实现分数阶微分需要进行复杂的近似实现，一般由5阶的整数阶系统进行近似，工程实现难度较大，单个通道的参数有11项，采用文献中给定的整定方法，获得一组控制参数需要进行600次迭代，控制器参数整定的难度和工作量极大，严重限制了其工程适用性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于非线性反馈和微分跟踪的飞行器姿态控制方法，解决存在阵风、参数摄动、未知干扰影响下的类似运载火箭之类飞行器的姿态控制问题，避免控制器重要环节工程实现难度大，控制器参数过多整定困难的问题。

技术方案

一种基于非线性反馈和微分跟踪的飞行器姿态控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：鉴于运载火箭的对称特性，建立具有普适性的火箭俯仰通道运动模型，由刚体运动、弹性运动和姿态测量三部分组成：

刚体运动方程为：

弹性振动方程为：

惯组测量方程为：

式中，Δθ为弹道倾角的偏差；Δα为箭体攻角的偏差；为俯仰通道的发动机摆角输入；为俯仰通道的发动机摆角加速度输入；α_w为风攻角；为火箭受到的干扰力；为火箭受到的干扰力矩；为俯仰角的偏差；q_i为第i阶弹性振动模态在俯仰平面的广义坐标；ω_i为第i阶弹性振动模态的固有频率；ζ_i为第i阶弹性振动模态的固有阻尼；为第i阶弹性振动广义力；参数c_k(k＝1,…,1i…)、b_k(k＝1,…，1i,…)、D_k(k＝1i,2i，…)为俯仰通道动力学系数，由气动力、力矩和结构参数构成；和分别为惯组平台和速率陀螺测量到的输出信号；W_zi为第i阶弹性振动的振型斜率；

步骤2：整理运载火箭俯仰角偏差微分方程为