[发明专利]一种基于L1自适应控制的飞行器姿态控制方法

摘要

本发明涉及一种基于L1自适应控制技术的飞行器姿态控制方法，属于无人飞行器姿态自动控制技术领域。将系统的控制信号u(t)输入状态观测器，得到飞行器状态估计值作为自适应律的输入，得到系统的不确定性、外部干扰的估计值和将设定的参考信号r(t)和输入自适应控制律，得到系统自适应控制律然后输入低通滤波器，得到控制信号u₂(t)，叠加上线性状态反馈控制律u₁(t)，将其输入状态观测器，并作用于被控对象，被控对象反馈实际的姿态值x(t)至自适应律、自适应控制律、状态观测器，从而构成L1自适应闭环控制系统。本发明建立的飞行器姿态L1自适应控制有较强的鲁棒性，对存在非线性和耦合、环境干扰的飞行器姿态系统，具有良好的镇定和调节效果。

主权项

1.一种基于L1自适应控制的飞行器姿态控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：建立飞行器姿态系统的数学模型，包括三个如下形式的二阶状态方程组成：x.(t)=Ax(t)+b(u(t)+θT(t)x(t)+σ(t))y(t)=cTx(t)x(0)=x0]]>其中，x(t)为可观测的系统状态向量，在滚转、俯仰、偏航姿态控制通道中分别为和以及u(t)为各通道的控制信号；A为2阶系统矩阵，通过机理分析，根据力学定理定律确定；b是通过参数辨识所得到的常数向量，θ(t)是未知参数，由状态观测器估计而得；σ(t)是时变干扰；y(t)是系统输出；c为输出矩阵，其值为2阶单位阵中的第一列；u(t)为控制器的控制律，分为线性状态反馈控制律u₁(t)和自适应控制律u₂(t)两部分：u(t)＝u₁(t)+u₂(t)   u₁(t)＝-Kx(t)令A_m＝A-bK，K的选取使得A_m满足Hurwitz条件，从而飞行器姿态系统的数学模型转换为x.(t)=Amx(t)+b(u2(t)+θT(t)x(t)+σ(t))y(t)=cTx(t)x(0)=x0]]>步骤2：根据步骤1的数学模型，分别设计滚转、俯仰、偏航三个通道的L1自适应控制器；所述L1自适应控制器的设计方法为：步骤2.1，设计状态观测器；在每个控制器设计中的状态观测器为：x^.(t)=Amx^(t)+b(u2(t)+θ^Tx(t)+σ^(t))y^(t)=cTx^(t)x^(0)=x0]]>其中和分别是x(t)、θ(t)和σ(t)的估计值，x₀为初始状态；步骤2.2，设计自适应律：θ^.(t)=ΓθPr oj(θ^(t),-x(t)x~T(t)Pb)θ^(0)=θ^0x~(t)=x^(t)-x(t)]]>σ^.(t)=ΓσPr oj(σ^(t),-x~T(t)Pb)σ^(0)=σ^0]]>和分别为θ(t)和σ(t)的估计初值，P为李雅普诺夫方程的解，I为2阶单位矩阵；Γ_θ,Γ_σ是自适应增益矩阵，随着其增大，系统的响应速度以及跟踪精度相应的提高；其中Pr oj(·,·)为投影算子，其表达式为：步骤2.3，设计自适应控制律r‾(t)=kgr(t)-θ^(t)x(t)-σ^(t)kg=1/(cTH(0))H(s)=(sI-Am)-1b]]>其中r(t)为参考输入；s为t在频域中对应的变量；步骤2.4，设计低通滤波器u2(s)=C(s)r‾(s)]]>选取w为带宽，为的拉普拉斯变换；u₂(s)是u₂(t)的拉普拉斯变换；步骤2.5，形成L1自适应控制器；将系统的控制信号u(t)输入步骤2.1得到的状态观测器，得到飞行器状态估计值将其作为步骤2.2设计的自适应律的输入，得到系统的干扰不确定性的估计值和将设定的参考信号r(t)和输入步骤2.3设计的自适应控制律，得到系统自适应控制律，然后输入步骤2.4得到的低通滤波器，得到控制信号u₂(t)，叠加上步骤1所述的线性反馈控制律u₁(t)，将其输入状态观测器，并作用于被控对象，被控对象反馈实际的姿态信号x(t)至自适应律、自适应控制律、状态观测器，从而构成姿态闭环控制系统；步骤3，整个姿态控制律的设计，实现姿态的调节和镇定；按照步骤2.1至步骤2.4所述的方法分别设计出三个L1自适应控制器，各控制器所得的控制律U_r，U_y，U_p分别作为系统滚转、俯仰、偏航三个通道的控制输入，从而实现姿态的控制和调节。