[发明专利]一种基于主辅系统结合的非线性飞行器位置保持控制方法

说明书

本发明涉及一种基于主辅系统结合的非线性飞行器位置保持控制方法，属于飞行控制领域。包括三部分，第一部分根据飞机集总非线性状态方程，在水平直飞平衡点处配平得到扰动系统；第二部分针对扰动系统，对其进行问题分解，分解为线性主系统的输出跟踪问题和非线性辅系统的镇定控制问题；第三部分，针对主系统和辅系统分别设计控制器，设计好主、辅系统的控制器后，综合二者得到原系统的控制器。该方法能够将飞行器位置保持在给定范围内，同时克服质量变化对飞行的影响。本方法简单有效，灵活性和可靠性较高。

技术领域

本发明涉及一种飞行器控制方法，特别是涉及一种非线性飞行器位置保持控制方法，属于飞行控制领域。

背景技术

在航空航天领域，飞行器经常面临在质量变化的情况下实现位置保持任务。在空中加油中，需要在加油机和受油机相对位置不变的情况下实现燃油传输，在这个过程中必须克服燃油变化带来的质量变化的影响。在农业植保中，由于农药喷洒，会出现飞行器质量不断减小的情况，同时需要实现位置保持和农田遍历任务。在航天对接中，需要在发动机燃料燃烧引起的航天器质量减小情况下实现位置保持，便于完成航天器对接任务。

常见的位置保持控制方法有基于线性二次调节器的控制方法，比例积分微分控制方法，L1自适应控制方法，自抗扰控制方法等。为了克服变质量的影响，增益调度控制方法也较为常见。然而，现存大多数位置保持控制器的设计都是基于线性控制方法或者先将非线性系统直接线性化，直接丢掉非线性项会限制控制效果，也使得最终的闭环系统对系统摄动和外部干扰非常脆弱。

如果飞行器的非线性信息可以被较好地考虑，则可获得更好的控制效果。因此，本发明提出了一种非线性飞行器的位置保持控制方案，它是一种在原有线性控制基础上充分考虑了系统非线性的控制方法，可以获得比原有线性控制方法更好的位置保持效果。

发明内容

要解决的技术问题

考虑实际飞行过程中存在的飞行器质量变化，本发明设计了一种考虑质量变化的非线性飞行器位置保持控制方法。

技术方案

一种基于主辅系统结合的非线性飞行器位置保持控制方法，其特征在于针对飞机集总非线性状态方程，设计控制器使得飞行器在存在外界扰动的情况下能够快速地跟踪到参考轨迹，并且跟踪误差足够小；所述的飞机集总非线性状态方程：

其中，为飞行器系统状态，包含了位置、速度、姿态角、气动角和机体角速度；控制输入为包含了油门、升降舵、副翼和方向舵等操作舵面；d为扰动项；给定参考轨迹p^d＝[x^d y^d h^d]^T；具体包括以下3个部分：

第一部分：系统配平

在水平直飞平衡点处配平，配平状态x^*和配平输入u^*，平衡点处满足

扰动状态为扰动输入为于是得到扰动状态方程

在平衡点进行泰勒展开，得到

其中为高阶项，含义为扰动状态方程线性化后的非线性部分，同时有

扰动系统可以进一步表示为

其中g(x)为部分非线性项，d(x,u)为其余未建模动态，将其视为干扰；

第二部分：问题分解

针对系统(20)，取线性时不变主系统为