倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法，本发明专利技术考虑到时滞对系统的影响，提出一种新型的Lyapunov

【技术实现步骤摘要】
倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法


[0001]本专利技术属于飞行器控制
，针对倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统，设计了一种基于凸包的状态反馈控制器。通过构造新型的Lyapunov
‑
Krasovskii泛函，得到了保守性更小的稳定性判据，扩大了系统的稳定运行区域。

技术介绍

[0002]目前在航空领域内重于空气的飞行器中分为两类，固定翼飞行器(飞机、滑翔机)与旋翼飞行器(直升机、旋翼机)。固定翼飞机飞行速度快，航程距离远，但它的起飞降落条件受到限制，对于复杂地形难以到达。旋翼飞行器起飞降落的条件限制极少，但它的缺点也很明显，飞行速度慢，航程距离短。倾转旋翼机作为一种新型飞行器，将旋翼飞行器与固定翼飞机的优点融为一体，在各个领域将具有良好的前景。
[0003]旋翼飞行器拥有一对可以倾转的短舱，进而可以控制旋翼平面。当短舱倾角固定在0
°
时，倾转旋翼机可以进行低速飞行以及在复杂地形起飞降落，此时属于旋翼机模式；当短舱倾角固定在90
°
时，倾转旋翼机可以进行高速飞行，此时属于固定翼模式。因此，倾转旋翼机可以完成旋翼机的特殊任务，也可以完成固定翼飞机的运输任务，尤其是在环境受到极大限制下，如自然灾害地区的运输救援。
[0004]现有的倾转旋翼机纵向运动飞行反馈控制方法很少考虑执行器饱和、状态时滞对运动飞行控制的影响。在对倾转旋翼机纵向运动飞行控制时并不能进行准确、有效的控制，倾转旋翼机运动飞行故障时有发生。因此，需要进一步降低系统稳定性判据的保守性以及对倾转旋翼机的准确、有效控制进行研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术考虑到时滞对系统的影响，提出一种新型的Lyapunov
‑
Krasovskii泛函，来扩大倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的稳定运行区域，具体为一种倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法。
[0006]本专利技术考虑到倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统执行器饱和的影响，设计了基于凸包法的状态反馈控制器。本专利技术建立了具有执行器饱和的倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的动力学模型，考虑到倾转旋翼机本身状态随短舱倾角不断变化的特性，本专利技术建立了多个子系统的切换系统模型，实现了对倾转旋翼机的准确、有效控制。
[0007]本专利技术一种倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法，具体步骤如下：
[0008]步骤1、建立倾转旋翼机的纵向动力学模型；
[0009]倾转旋翼机属于左右对称结构，通过水平无侧滑飞行条件,简化成纵向动力学模型,整个外挂吊舱可实现在整个纵向平面内0
°
～90
°
的倾转。假设机体和桨叶都是刚体；假设过渡过程中不会出现其他运动,所以惯性积I
xy
,I
zy
为0；大气密度不变,不考虑空气的压缩性以及旋翼的下洗流对机身的干扰。
[0010]在上述假设条件下，则倾转旋翼机的纵向动力学模型为：
[0011][0012]其中，v，w，q，θ，分别表示为前飞速度、垂向速度、俯仰角速度和俯仰角。m为飞行器的质量,I
y
为俯仰转动惯量,F
x
为机体所受到的合力在机体轴x轴上的分量,F
z
为机体所受到的合力在机体轴z轴上的分量,M
y
为合力产生的俯仰力矩。v0，w0，g分别表示为前飞初速度、垂向初速度和重力加速度。
[0013]步骤2、建立倾转旋翼机状态空间模型；
[0014]倾转旋翼机气动特性为
[0015][0016][0017]飞机力矩特性为
[0018][0019]短舱倾角I
n
在过渡过程中可以从0
°
转换到90
°
,随着短舱倾角的变化,I
y
也会随着变化,可以用线性公式近似表示为I
y
＝I
y0
‑
KI
n
式中:X
v
，X
w
，X
q
，Z
v
，Z
w
，Z
q
，为气动力系数,M
v
，M
w
，M
q
，为气动力矩系数,δ
c
，δ
ε
分别表示为总距和升降舵。I
y0
为初始惯性矩，K＝11.24。
[0020]通过选择状态向量
[0021]X＝[v w q θ]T
,
[0022]得到状态空间模型
[0023][0024]其中U＝[δ
c δ
ε
]矩阵A和矩阵B如下所示：
[0025][0026][0027]由于倾转旋翼飞行器在过渡过程中存在时滞现象和输入饱和等情况,
[0028]且整个过渡过程较为复杂,难以用单一的状态函数描述清楚,需要将过渡过程的飞行动力学状态空间模型建模成如下一般形式的切换系统:
[0029][0030]其中:X(t)表示t时刻的状态向量，U(t)表示t时刻的控制输入。σ(t):[0,+∞)
→
M＝{1,2,...,M}表示切换信号,M表示模态数。A
σ(t)
，B
σ(t)
分别是倾转旋翼机短舱倾角I
n
在不同角度时的状态矩阵和控制输入矩阵，C
σ(t)
是具有适当维数的常数矩阵。sat(
·
)表示单位饱和函数，是一个连续的初始函数。时变时滞d(t)满足以下形式:
[0031][0032]其中，h1，h2和d
max
是正常数。
[0033]步骤3、Lyapunov
‑
Krasovskii泛函设计；
[0034]设计Lyapunov
‑
Krasovskii泛函如下所示，
[0035]V
σ(t)
(t)＝V
1σ(t)
(t)+V
2σ(t)
(t)+V
3σ(t)
(t)+V
4σ(t)
(t)+V
5σ(t)
(t)
[0036]V
1σ(t)
(t)＝x
T
(t)P
σ(t)
x(t)；
[0037][0038][0039][0040][0041]其中:P
σ(t)
，Q
1σ(t)
，Q
2σ(t)
，D
1σ(t)
，D
2σ(t)
，R
1σ(t)
，R
2σ(t)
，Z
σ(t)
表示正定
[0042]对称矩阵，α为正常数，h
12
＝h2‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法，其特征在于：该方法具体包括一下步骤：步骤一：建立倾转旋翼机的纵向动力学模型；步骤二：建立倾转旋翼机状态空间模型；步骤三：Lyapunov
‑
Krasovskii泛函设计；具体为：V
σ(t)
(t)＝V
1σ(t)
(t)+V
2σ(t)
(t)+V
3σ(t)
(t)+V
4σ(t)
(t)+V
5σ(t)
(t)V
1σ(t)
(t)＝x
T
(t)P
σ(t)
x(t)；x(t)；x(t)；x(t)；其中:P
σ(t)
，Q
1σ(t)
，Q
2σ(t)
，D
1σ(t)
，D
2σ(t)
，R
1σ(t)
，R
2σ(t)
，Z
σ(t)
表示正定对称矩阵，α为正常数，h
12
＝h2‑
h1，h1，h2是正常数；步骤四：状态反馈控制器设计；设计如下状态反馈控制器，U(t)＝K
σ(t)
X(t)K
σ(t)
是控制器的增益，并且其中D
j
是m
×
m对角矩阵，对角元素均为0或1，η
j
＞0，j＝1,2,...,2
m
，I是单位矩阵，K
σ(t)
,H
σ(t)
∈R
m
×
m
，符号R
m
×
m
表示m
×
m维实数矩阵；步骤五：建立闭环系统状态空间模型将所设计的状态反馈控制器代入过渡过程的飞行动力学的状态空间模型中，得到如下闭环系统状态空间模型进一步化简得到如下闭环系统状态空间模型
步骤六：闭环系统的稳定性分析V
σ(t)
(t)对时间的导数为将线性矩阵不等式的条件代入得到进而得到其中c和λ是正常数，t0是初始时刻，X(0)是任何初始状态。2.根据权利要求1所述的倾转旋翼机纵向运动飞行控制系统的状态反馈控制方法，其特征在于：建立倾转旋翼机的纵向动力学模型，具体如下：倾转旋翼机属于左右对称结构，通过水平无侧滑飞行条件,简化成纵向动力学模型,整个外挂吊舱可实现在整个纵向平面内0
°
～90
°
的倾转；假设机体和桨叶都是刚体；假设过渡过程中不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王茜，田付杰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：