[发明专利]基于分数阶滑模反步法的动力翼伞高度控制方法

说明书

本发明属于控制技术领域，更具体地，涉及一种基于分数阶滑模反步法的动力翼伞高度控制方法。基于分数阶滑模反步法的动力翼伞高度控制方法，包括以下步骤，步骤S1、获取动力翼伞初始状态信息；步骤S2、将动力翼伞的初始状态信息输入到分数阶滑模反步控制器，所述分数阶滑模反步控制器通过控制动力翼伞的航迹倾角实现对其高度的控制。

技术领域

本发明属于控制技术领域，更具体地，涉及一种基于分数阶滑模反步法的动力翼伞高度控制方法。

背景技术

翼伞是伞衣完全充气展开后呈“翼型”的降落伞，同普通圆伞相比具有更好的可操纵性，除了可以实现滑翔，还可以通过下拉伞衣后缘两侧的操纵绳实现转弯和雀降。动力翼伞由传统的翼伞系统和动力装置两部分组成，当不施加动力作用，动力翼伞同传统翼伞的飞行特性完全一样，可以完成传统翼伞的所有任务。当对其施加动力控制，动力翼伞可等同于固定翼的飞行器，除了对伞衣后缘两侧操纵绳的控制实现转弯，还可以通过对动力装置产生的推力的控制，实现对动力翼伞飞行高度的控制。同刚性飞行器相比，动力翼伞成本较低、操作简单、回收安全方便。除了具有传统无动力翼伞系统的应用(武力及救援物资的空投、航天器回收等)，在军事侦察、农业播撒、空中消雾等领域也发挥着重要的作用，因此，人们开始对动力翼伞的相关问题展开研究。

对于六自由度的传统翼伞系统的控制目前已有多种控制方法：广义预测控制、模糊控制、自抗扰控制等。由于动力翼伞受到动力推进装置所提供的前进推力的作用，在建模过程中必须考虑伞体和承载物之间的相对运动，这无疑增加了动力学模型的复杂度，同时也增加了控制器设计难度。前期的控制技术主要针对简化的动力学模型进行控制器设计。Slegers采用模型预测控制和最小二乘辨识方法设计了跟踪控制器。Chambers针对四自由度动力翼伞纵向面模型，研究了动力翼伞飞行速度、高度以及爬升率对推力的影响。Ochi根据动力翼伞非线性动力学模型推导得出了线性的模型，并针对线性化模型设计了最优伺服PID控制器。此类方法设计较为简单，但是简化后的模型并不能完全反映动力翼伞的动力学特性。

Aoustin针对动力翼伞纵向面模型，设计了基于部分反馈线性化的非线性控制律对动力翼伞纵向面的轨迹进行控制。Chen对动力翼伞纵向运动控制进行研究，提出了带精确控制增益的方法。Chen采用反步法对动力翼伞的高度控制进行了研究。张昊针对动力翼伞的横侧向模型，分别设计了直线跟踪鲁棒反步控制和可变增益反步法，对动力翼伞的水平面跟踪控制进行了研究。陈自力同样针对横侧向模型，采用反馈增益思想设计反步跟踪控制律，同时设计了非线性干扰观测器对符合干扰进行了估计和补偿，仿真同样针对水平面轨迹跟踪。陈自力根据动力翼伞纵向面模型，提出了一种可变增益的模糊反步控制策略，对动力翼伞的高度进行控制，有较高的跟踪精度，但是缺乏抗干扰能力的讨论。上述控制器设计和仿真只针对动力翼伞横侧向模型或纵向面模型，对整个动力学模型控制性能缺乏分析。钱克昌针对动力翼伞八自由度动力学模型，提出了基于神经网络动态逆方法的控制方案，并进行了仿真验证，实现对动力翼伞偏航角和飞行速度的控制，但控制策略较为简单。Tan采用基于特征模型的全系数自适应控制方法对动力翼伞的轨迹跟踪控制进行了仿真研究，但没有给出具体的制导方案，也缺乏系统稳定性分析。发明人前期针对八自由度的动力翼伞模型提出了基于制导理论的路径跟踪控制策略，保证了路径跟踪的稳定性。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明将分数阶滑模面引入反步法设计中，提出了一种基于带观测器的分数阶滑模反步控制(Fractional sliding mode backsteppingcontrol,FSMBC)的动力翼伞高度控制器的设计方法，通过调整分数阶数使控制器获得最佳的动态特性。控制器的不确定项由设计的观测器进行观测并补偿，通过李雅普诺夫方法证明了控制器的稳定性。本发明解决了动力翼伞由于复杂的动力学模型而无法直接设计控制器、缺乏稳定性分析的问题，在控制器设计中引入分数阶滑模面，解决了动力翼伞这类柔性飞行器易受外界干扰、鲁棒性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了带观测器的分数阶滑模反步法控制器的设计方法和具体推导过程，并将其应用于动力翼伞的高度控制问题中，通过两组仿真实例验证了控制方法的有效性。