一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，属于飞行器控制技术领域，针对高超声速飞行器在模型不确定、大气紊流、舵面退化等多源干扰下的高精度姿态控制问题，首先，建立飞行器三自由度姿态系统模型；其次，将三自由度姿态系统模型分解为三个子系统模型；再次，设计有限时间干扰观测器对模型不确定进行估计；再次，设计基于自学习机制的扩张状态观测器对舵面效率和其余干扰的集总项进行估计；最后，根据有限时间干扰观测器、自学习机制和扩张状态观测器的估计值，设计基于自学习机制的强抗扰控制器，完成基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法的设计。本发明专利技术适用于极端环境下高超声速飞行器的姿态控制。适用于极端环境下高超声速飞行器的姿态控制。适用于极端环境下高超声速飞行器的姿态控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法


[0001]本专利技术属于飞行器控制
，具体涉及一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，主要应用于多源干扰下高超声速飞行器的干扰在线预示以及高精度姿态控制。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器是一种大部分时间工作在20~100 km的临近空间、飞行速度可达5马赫以上的先进飞行器。由于其大空域、宽速域、高动态、多样化的任务特征，使得如大气紊流、器部件退化、通道间耦合等多源异构干扰时刻威胁着高超声速飞行器的飞行安全与系统性能。例如，受限于数值仿真和地面测试技术的发展现状，高超声速飞行器的模型气动参数往往存在着较大的不确定性；由于高超声速飞行器的速度极快，飞行过程中气流受到强烈的压缩和摩擦作用，使得飞行器机身、舵面等会遭到不同程度的高温烧蚀，进而造成舵面等器部件执行效率发生一定程度的退化；高超声速飞行器的一体化构型设计，导致其气动/结构/推进之间相互耦合，造成飞行器模型和参数存在强不确定性。上述这些特点极大地增加了高超声速飞行器姿态控制系统设计的难度，传统的控制方法往往难以适用。因此，高超声速飞行器的强抗扰姿态控制是一个极具挑战性的理论和工程难题。
[0003]目前，针对高超声速飞行器姿态系统存在的强耦合、强非线性、多源干扰等问题，主要采用扩张状态观测器和神经网络对相应的未知的干扰和动态进行估计或逼近。中国专利申请CN110377045A中通过线性状态变换将姿态动力学模型变换为积分串联型，设计了扩张状态观测器对飞行器总扰动进行了快速估计，并且结合比例<br/>‑
微分控制设计了自抗扰控制器，取得了较好的控制效果。中国专利申请CN110488852A中引入神经网络技术来逼近姿态系统中的未知非线性，并通过反步法设计了全剖面的高超声速飞行器的姿态控制律，避免了控制器在全剖面飞行过程中的切换。文献 (杜立夫, 李冬, 张瑞, 等. 基于ESO的高超声速飞行器解耦控制[J]. 飞控与探测, 2021, 4(05): 21
‑
26) 针对高超声速飞行器的通道耦合问题，提出了一种基于扩张状态观测器的全通道解耦控制方法，通过补偿控制很大程度上消除了强耦合带来的影响。现有的方法在应对高超声速飞行器上不同来源、不同类型的干扰/不确定性时，通常是将其看作是集总干扰进行处理，这类方法保守性大，且缺乏对不同类型干扰的在线预示。因此，亟需探索具有干扰预示能力的高超声速飞行器强抗扰控制方法。

技术实现思路

[0004]针对高超声速飞行器姿态控制方法抗干扰能力差、控制精度低、干扰在线预示能力不足等问题，本专利技术提供一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，采用干扰观测、状态估计和参数自学习相结合的策略，实现了对飞行器模型不确定性、外部干扰、舵面效率的在线预示，可有效提升飞行器姿态控制过程的自主性、适应性和安全性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的技术解决方案为：
一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，包括以下步骤：第一步，根据高超声速飞行器的姿态动力学特征，建立含有模型不确定性、大气紊流、气动舵面退化等多源干扰的飞行器三自由度姿态系统模型；第二步，基于高超声速飞行器三自由度姿态系统模型，将其分解为俯仰、偏航、滚转三个子系统模型，建立面向控制的高超声速飞行器姿态等效模型；第三步，基于面向控制的高超声速飞行器姿态等效模型设计有限时间干扰观测器，对模型不确定性进行估计；第四步，基于面向控制的高超声速飞行器姿态等效模型设计自学习机制和扩张状态观测器，对舵面效率和其余干扰的集总项进行估计；第五步，根据模型不确定性、舵面效率和集总干扰的估计值，设计自学习机制和强抗扰控制器，完成基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法的设计。
[0006]进一步地，所述第一步中，建立的高超声速飞行器三自由度姿态系统模型为：，，，其中，、、分别表示攻角、侧滑角、倾侧角；、、分别表示滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率；、、表示飞行器质心运动学状态耦合进姿态的不确定性；、分别表示航迹倾角、航迹偏角；、、、、、、、分别为、、、、、、、对时间的一阶导数；、、表示飞行器本体绕机体坐标系三轴的转动惯量；、、表示大气紊流等外部扰动导致的干扰力矩；、、分别表示滚转、俯仰、偏航力矩，具体表达式为：，上式中，为气动参考面积，为机翼展长，为平均气动弦长，为飞行器速度，为大气密度，、、分别为滚转、俯仰、偏航力矩系数；考虑舵面退化，并忽略影响较小的项，飞行器的力矩系数多项式拟合模型如下：
，上式中，、、表示三轴舵偏角，、、、、、、、、、为气动力矩系数拟合参数，、、表示三轴舵面退化因子，满足，，。
[0007]进一步地，所述第二步包括：定义如下变量：，，，上式中，、、表示三轴舵面效率，、、、、、表示姿态系统的状态，、、为俯仰、偏航、滚转通道姿态子系统的扩张状态，包含通道间的耦合、外部干扰力矩和其他干扰，将其视为集总干扰。结合飞行器的物理特性，假设扩张状态、、变化率有界，即、、对时间的一阶导数、、存在，定义为，，。
[0008]将第一步中的三自由度姿态系统模型转换为如下面向控制的分通道模型：俯仰通道模型为：，
偏航通道模型为：，滚转通道模型为：，进一步地，所述第三步包括：基于俯仰通道模型设计有限时间干扰观测器为：，其中，表示状态的估计值，表示模型不确定性的估计值，和分别为和对时间的一阶导数，、、为干扰观测器的增益，表示符号函数，其定义为：对于一个实数，，基于偏航通道模型设计有限时间干扰观测器为：，其中，表示状态的估计值，表示模型不确定性的估计值，和分别为和对时间一阶导数，、、为干扰观测器的增益；基于滚转通道模型设计有限时间干扰观测器为：，其中，表示状态的估计值，表示模型不确定性的估计值，和分别为和对时间的一阶导数，、、为干扰观测器的增益。
[0009]进一步地，所述第四步包括：
基于俯仰通道模型设计扩张状态观测器为：，其中，和分别表示状态和集总干扰的估计值，和分别为和对时间的一阶导数，为观测器的带宽，为舵面效率的在线估计，其自学习机制设计为：，式中，为对时间的一阶导数，和为自学习机制的设计参数。
[0010]基于偏航通道模型设计扩张状态观测器为：，其中，和分别表示状态和集总干扰的估计值，和分别为和对时间的一阶导数，为观测器的带宽，为舵面效率的在线估计，其自学习机制设计为：，式中，为对时间的一阶导数，和为自学习机制的设计参数。
[0011]基于滚转通道模型设计扩张状态观测器为：，其中，和分别表示状态和集总干扰的估计值，和分别为和对时间的一阶导数，为观测器的带宽，为舵面效率的在线估计，其自学习机制设计为：，式中，为对时间的一阶导数，和为自学习机制的设计参数。
[0012]进一步地，所述第五步包括：基于有限时间干扰观测器、、、扩张状态观测器、、和自学习
机制、、的估计值、、、、、、、、，对飞行器姿态系统中的模型不确定性、、、集总干扰、、和舵面效率、、进行在线预示；定义如下变量：，，，其中，、、分别表示、、的参考指令，、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据高超声速飞行器的姿态动力学特征，建立含有模型不确定性、大气紊流、气动舵面退化的多源干扰的飞行器三自由度姿态系统模型；第二步，基于高超声速飞行器三自由度姿态系统模型，将其分解为俯仰、偏航、滚转三个子系统模型，建立面向控制的高超声速飞行器等效模型；第三步，基于面向控制的高超声速飞行器等效模型设计有限时间干扰观测器，对模型不确定性进行估计；第四步，基于面向控制的高超声速飞行器等效模型设计自学习机制和扩张状态观测器，对舵面效率和其余干扰的集总项进行估计；第五步，根据模型不确定性、舵面效率和集总干扰的估计值，设计基于自学习机制的强抗扰控制器，完成基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法的设计。2.根据权利要求1所述的一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，其特征在于，所述第一步中，建立的飞行器三自由度姿态系统模型为：，，，其中，、、分别表示攻角、侧滑角、倾侧角；、、分别表示滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率；、、表示飞行器质心运动学状态耦合进姿态的不确定性；、分别表示航迹倾角、航迹偏角；、、、、、、、分别为、、、、、、、对时间的一阶导数；、、表示飞行器本体绕机体坐标系三轴的转动惯量；、、表示外部扰动导致的干扰力矩；、、分别表示滚转、俯仰、偏航力矩，具体表达式为：，上式中，为气动参考面积，为机翼展长，为平均气动弦长，为飞行器速度，为大气密度，、、分别为滚转、俯仰、偏航力矩系数；考虑舵面退化，并忽略影响较小的项，飞行器的气动力矩系数多项式拟合模型如下：
，上式中，、、为三轴舵偏角，、、、、、、、、、为气动力矩系数拟合参数，、、表示三轴舵面退化因子，满足，，。3.根据权利要求2所述的一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，其特征在于，所述第二步包括：定义如下变量：，，，上式中，、、表示三轴舵面效率，、、、、、表示姿态系统的状态，、、为俯仰、偏航、滚转通道姿态子系统的扩张状态，包含通道间的耦合、外部干扰力矩和其他干扰，将其视为集总干扰；结合飞行器的物理特性，假设扩张状态、、变化率有界，即、、对时间的一阶导数、、存在，定义为，，；将第一步中的三自由度姿态系统模型转换为如下面向控制的分通道模型：俯仰通道模型为：
，偏航通道模型为：，滚转通道模型为：。4.根据权利要求3所述的一种基于干扰预示的高超声速飞行器强抗扰控制方法，其特征在于，所述第三步包括：基于俯仰通道模型设计有限时间干扰...

【专利技术属性】
技术研发人员：王陈亮，王雨，王恩美，乔建忠，郭雷，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：