[发明专利]一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法

权利要求书

1.一种基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一、针对舰载机着舰，首先根据舰载机着舰状态的小扰动方程分别建立舰载机的纵向和横侧向的预测模型，用以预测未来时刻舰载机的姿态角、迎角、侧滑角、空速状态的变化；

步骤二、根据舰载机的实时状态和期望的状态值，实时状态包括姿态角、迎角、侧滑角、空速，以及最优化性能指标函数，对当前时刻所需的控制量进行优化求解，以此控制舰载机跟踪理想下滑轨迹下滑；步骤二中所述的最优化性能指标函数，其定义为：

其中Q、R为状态量和控制量的加权矩阵，用于惩罚状态的误差和输入控制量ΔU(k)的变化，Y_ref(k)为未来时刻的参考期望状态，Y(k)为未来时刻的预测状态，P、M分别为预测控制的优化时域和控制时域，y(k+i|k)i＝1…P表示预测模型在k时刻预测得到的k+i时刻的舰载机输出，y_ref(k+i|k)i＝1…P表示在k时刻得到的舰载机在k+i时刻的期望输出，Δu(k+i|k)i＝1…M表示k时刻得到的k+i时刻的舰载机输入变化量，性能指标函数通过改写，并加入约束ΔU_max，可写做QP标准类型：

其中，

E(k)＝Y_ref(k)-Φx(k)-Γu(k-1)，

x(k)＝[ΔV(k) Δα(k) Δθ(k) Δq(k)]^T；

u(k)＝Δδ_e；

式中V表示空速，α为迎角，θ为俯仰角，q为俯仰角速率，δ_e为飞机升降舵偏转角；

A_vd为离散后的A_v阵；

B_vd是离散后的B_v阵；

可通过方程的求解，得出当前时刻的升降舵、方向舵、副翼的最优控制指令；

步骤三、控制量作用后，舰载机状态发生变化，更新预测模型的状态量，并将舰艉流的干扰作为已知的不可控输入，引入到预测模型中，使预测模型预测的未来状态包含舰艉流信息，进而滚动优化得到的控制量可抑制舰艉流对着舰轨迹的干扰；

步骤四、校正舰载机实际状态与预测模型预测状态的之间误差，将校正后的状态作为下一时刻的状态，再滚动优化求解，循环更新，直至着舰完成。

2.根据权利要求1所述的基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，其特征在于：步骤一所述舰载机着舰状态为：舰载机着舰时，从距航母着舰点约1300m处开始，需保持4°左右的俯仰角沿着-3.5°的下滑线以240km/h左右的空速下滑；以此状态为基准，配平飞机，设定小扰动方程的基准运动和平衡点；所述的预测模型，是通过离散后的舰载机小扰动方程经迭代产生，设预测控制的预测时域为P，控制时域为M，预测模型可以预测未来P个时刻内舰载机接收M个控制指令后的状态变化；纵向模型用于预测俯仰角、俯仰角速度、空速、迎角的变化，横侧向模型用于预测横滚角、横滚角速度、侧滑角、偏航角速度的变化。

3.根据权利要求1所述的基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，其特征在于：步骤三中所述的使预测模型的未来状态包含舰艉流的信息，是将舰艉流的纵向、垂向、侧向分量分别输入纵向、横侧向预测模型，对舰载机的空速、迎角和侧滑角产生影响实现的；当空速、迎角及侧滑角发生改变后，舰载机受到的力和力矩随之改变，进而产生姿态及轨迹的变化，将舰艉流模型引入预测模型，用于预测其对舰载机姿态和轨迹的干扰，并对干扰进行提前抑制，提高舰载机的着舰成功率。

4.根据权利要求1所述的基于预测控制的舰载机着舰控制及艉流抑制方法，其特征在于：步骤四中所述的校正，是将舰载机的姿态角、姿态角速度、迎角、侧滑角状态的偏差通过校正矩阵重新分配权重，再对预测值进行校正实现的；校正可以有效的提高控制算法的鲁棒性，避免因模型误差、环境干扰造成的控制量发散；最后，将得到的新的状态作为基准，进行新一轮的预测及滚动优化。