[发明专利]一种时变测量延迟输出信号飞行器纵向运动状态观测方法

摘要

本发明一种时变测量延迟输出信号飞行器纵向运动状态观测方法，它有四大步骤：步骤一、获取飞行器在俯仰平面内的动力学模型；步骤二、设计观测器；步骤三、调节观测参数，查看观测效果；步骤四、设计结束。该观测方法根据包含有一定时变延迟后的输出和系统的模型，来重构出系统的当前时刻的状态，从而实现对系统状态的观测。它不仅可以实现对飞行器纵向运动动力学模型的观测，还可以实现对其他控制对象的观测，因此，该发明方法在飞行控制技术领域里具有较好的实用价值和良好的应用前景。

主权项

1.一种时变测量延迟输出信号飞行器纵向运动状态观测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤1：获取飞行器在俯仰平面内的动力学模型对飞行器在俯仰平面内的受力情况分析，飞行器受到来自发动机的推力、空气施加的升力和阻力以及俯仰力矩；从而得到飞行器在纵向运动中的动力学方程，对其进行线性化处理后，得到如下所示的动力学模型表达式：γ·=L‾αα-gVTcosγ+L‾oα·=q+gVTcosγ-L‾o-L‾ααψ·=qq·=Mo+Mδδ---(1)]]>并且有L‾o=LomVT,]]>L‾α=LαmVT]]>式中，γ、α、ψ分别表示飞行器航迹倾角、攻角和俯仰角且有γ＝ψ-α；q为俯仰角变化率；V_T为航速；m和g分别为飞行器质量和重力加速度；L_α表示升力曲线斜率；L_o表示其他对升力的影响因素；M_δ表示控制俯仰力矩；M_o表示其他来源力矩，通常由公式M_o＝M_αα+M_qq近似，δ为舵面偏角；定义x₁＝γ，x₂＝ψ，x₃＝q，将飞行器纵向模型写成状态空间的表达形式：x·1=a1x2-a1x1+a2-a3cosx1x·2=x3x·3=b1u+b2(x2-x1)+b3x3---(2)]]>其中，系统参数a₃＝g/V_T，b₁＝M_δ＞0，b₂＝M_α，b₃＝M_q；此外，由于该系统模型中的输出y＝x₁(t)，包含有一定的延迟环节，将时变延时输出表达为：y‾=x1(t-δ(t))]]>其中δ(t)为随时间变化的延迟时间，满足|δ(t)|≤1.5；步骤2：设计观测器根据上个步骤中获得的动力学模型，对其进行分析，便设计出满足要求的观测器结构；在保证观测误差收敛的同时，还需要保证观测速度能快速达到设计要求；观测器结构中包含了模型估计环节和增益调节环节，其数学表达式如下所示：x^·1=a1x^2-a1x^1+a2-a3cosx^1+G(1)x^·2=x^3+G(2)x^·3=b1u+b2(x^2-x^1)+b3x^3+G(3)---(3)]]>其中G(·)为设计的观测器调节增益环节，其表达式为：G(·)=Q-1K(y‾-x^1(t-δ(t)))]]>其中Q=100M1a10M2M3a1]]>M1=-a1+a3sinx^1]]>M3=-a12+a1a3sinx^1]]>M2=a12-2a1a3sinx^1-a1a3x^1cosx^1+a1a3x^2cosx^2+a2a3cosx^1+a32sin2x^1-a32cos2x^1]]>而K＝[k₁k₂k₃]^T为欲配置极点的配置参数矩阵；若期望配置的极点位置为λ₁＝-e₁，λ₂＝-e₂，λ₃＝-e₃，e_i＞0，则矩阵K的计算公式为：k1=e1+e2+e3k2=e1e2+e2e3+e3e1k3=e1e2e3---(4)]]>对上述提出的观测器进行Lyapunov-Razumikhin收敛性分析；首先根据式(2)和式(3)，整理出观测误差ξ状态方程的表达式，然后定义Lyapunov函数V(ξ)，利用Razumikhin理论，对其进行收敛性分析；采用观测器式(3)，证明出其中ω＞0，即可保证所设计的观测器的收敛性，同时也说明了所提出的观测方法的有效性；但是由于所设计的观测器中包含有很多的参数，为了使观测效果达到最好，即观测器的响应速度最快和观测误差超调量最小，需要对观测器中的参数进行调整；步骤3：调节观测参数，查看观测效果按照上一步中所设计的观测器结构，对观测器中的参数进行调节，并查看观测效果是否满足要求，如果不满足则继续调节参数，一直到符合要求为止；在仿真中，选择飞行器系统的参数为：M_α＝0.1，M_q＝-002，M_δ＝1.0.设定稳定航速为V_T＝200m/s，g取9.8m/s²，即：a₁＝1，a₂＝-0.1，a₃＝g/Vtb₁＝1，b₂＝0.1，b₃＝-0.02以上参数均是飞行器本身所固有的参数，不需要做调整；而在仿真过程中，调节的参数是欲配置的极点坐标位置，经过多调节后，最终所选择欲配置的极点坐标的绝对值大小为：e1=0.261e2=0.262e3=0.263]]>此外，在仿真中还加入噪声环节，所加入的噪声的幅值为0.001；步骤4：设计结束整个设计过程重点考虑了两个方面的要求，一个是所设计的观测器的收敛性问题；另外一个是要保证观测效果能够满足发明要求；第一步中，需要确定飞行器在俯仰平面内的动力学模型；第二步中，需要设计出满足要求的观测器；第三步，是对之前所设计出的观测器进行参数调整。