縱向飛行模型簇復合根軌跡多級PID控制器設計方法技術

本發明專利技術提供了一種縱向飛行模型簇復合根軌跡多級PID控制器設計方法，該方法在給定不同高度、馬赫數條件下通過掃頻飛行試驗直接確定獲得全包線內的幅頻和相頻特性構成的模型簇；根據飛行包線內的幅頻裕度和相位裕度軍標要求，給出了對應根軌跡描述下的閉環極點分布限制指標，通過加入多級PID控制器并在飛行器全包線內的閉環極點分布限制指標和系統辨識中的模型辨識方法確定多級PID控制器級數和參數值；從根軌跡描述下的閉環極點分布限制的概念出發設計出符合全飛行包線的超調量小、平穩的低空飛行控制器。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種飛行器控制器設計方法，特別涉及縱向飛行模型簇復合根軌跡多級PID控制器設計方法，屬于測控技術和飛行力學等范疇。
技術介紹
飛行器起降過程的控制對飛行安全有重要作用；由于飛行器起降過程中飛行速度變化大，即使按照縱向模型也會面臨強非線性問題；另一方面，飛行器的操縱舵存在飽和、死區等現象；從飛行安全考慮，超低空飛行（如飛機起飛/著陸）時，控制器必須保證系統具有一定的穩定裕度、無超調和平穩性，這樣，就使得超低空飛行控制器設計非常復雜，不能直接套用現有控制理論進行飛行器控制的設計。在現代實際飛行控制器的設計中，一少部分采用狀態空間法進行設計，而大多數仍然采用以PID為代表的經典頻域法和逆Nyquist陣列法為代表的現代頻率法進行控制器設計。現代控制理論以狀態空間法為特征、以解析計算為主要手段、以實現性能指標為最優的現代控制理論，而后有發展了最優控制方法、模型參考控制方法、自適應控制方法、動態逆控制方法，反饋線性化方法、直接非線性優化控制、變增益控制法、神經網絡控制方法，模糊控制方法，魯棒控制法以及多種方法組合控制等一系列控制器設計方法，發表的學術論文數以萬計，例如2011年Ghasemi?A設計了自適應模糊滑模控制的再入飛行器(Ghasemi?A,Moradi?M,Menhaj?M?B.Adaptive?Fuzzy?Sliding?Mode?Control?Design?for?a?Low-Lift?Reentry?Vehicle[J].Journal?of?Aerospace?Engineering,2011,25(2):210-216)，2013年Babaei?A?R為非最小相位和非線性飛行器設計了模糊滑模控制自動駕駛儀(Babaei?A?R,Mortazavi?M,Moradi?M?H.Fuzzy?sliding?mode?autopilot?design?for?nonminimum?phase?and?nonlinear?UAV[J].Journal?of?Intelligent?and?Fuzzy?Systems,2013,24(3):499-509），很多研究僅僅停留在理想化的仿真研究階段；而且這種設計存在三個問題:(1)由于無法進行飛行器超低空操縱穩定性試驗，難以得到精確的被控對象的數學模型；(2)對于軍標規定的穩定裕度等評價飛行控制系統的重要性能指標，狀態空間法遠不像經典頻率法那樣能以明顯的形式表達出來；(3)控制器結構過于復雜、沒有考慮實際控制器和飛行狀態的約束,設計的控制器物理上不可實現。英國的學者Rosenbrock系統地、開創性地研究了如何將頻域法推廣到多變量系統的設計中去,利用矩陣對角優勢概念,把多變量問題轉化為能用人們熟知的古典方法的單變量系統的設計問題,以后相繼出現了Mayne序列回差法,MacFarlane特征軌跡法、Owens并矢展開法等方法，共同特點是把多輸入一多輸出、回路間嚴重關聯的多變量系統的設計,化為一系列單變量系統的設計問題,進而可選用某一種古典方法(Nyquist和Bode的頻率響應法,Evans的根軌跡法等)完成系統的設計,上述這些方法保留和繼承了古典圖形法的優點,不要求特別精確的數學模型,容易滿足工程上的限制。特別是當采用有圖形顯示終端的人一機對話式的計算機輔助設計程序實現時,可以充分發揮設計者的經驗和智慧,設計出既滿足品質要求,又是物理上可實現的、結構簡單的控制器；國內外對多變量頻率法進行了改進研究（高大遠,羅成,沈輝,胡德文,撓性衛星姿態解藕控制器多變量頻率域設計方法，宇航學報,2007,Vol.28(2),pp442-447；熊柯,夏智勛,郭振云,傾斜轉彎高超聲速巡航飛行器多變量頻域法解耦設計,彈箭與制導學報，2011，Vol.31(3),pp25-28）但是，這種設計方法可考慮系統不確定問題時保守性過大，在飛行器操縱舵限制情況下不能得到合理的設計結果。綜上所述，目前的控制方法還不能在飛行器模型變化、按照全飛行包線內的穩定裕度指標設計出超調量小、平穩的低空飛行控制器。
技術實現思路
為了克服現有方法不能在飛行器在全飛行包線內模型變化大的情況下設計出符合全飛行包線內的穩定裕度指標的超調量小、平穩低空飛行控制器的技術缺陷，本專利技術提供了一種縱向飛行模型簇復合根軌跡多級PID控制器設計方法，該方法在給定不同高度、馬赫數條件下通過掃頻飛行試驗直接確定獲得全包線內的幅頻和相頻特性構成的模型簇；根據飛行包線內的幅頻裕度和相位裕度軍標要求，給出了對應根軌跡描述下的閉環極點分布限制指標，通過加入多級PID控制器并在飛行器全包線內的閉環極點分布限制指標和系統辨識中的模型辨識方法確定多級PID控制器級數和參數值；從根軌跡描述下的閉環極點分布限制的概念出發設計出符合全飛行包線的超調量小、平穩的低空飛行控制器。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案：一種縱向飛行模型簇復合根軌跡多級PID控制器設計方法，其特點是包括以下步驟：1、給定不同高度、馬赫數下通過掃頻飛行試驗直接由允許飛行的全包線內的幅頻和相頻特性構成飛行器全包線內的升降舵與飛行高度之模型簇，對應的飛行器升降舵與飛行高度之間開環傳遞函數簇描述為：G(s)=e-σ(h,W)sK(h,W)A(h,W,s)B(h,W,s)]]>其中A(h,M,s)=sm+am-1(h,M)sm-1+am-2(h,M)sm-2+…+a1(h,M)s+a0(h,M)、B(h,M,s)=sn+bn-1(h,M)sn-1+bn-2(h,M)sn-2+…+b1(h,M)s+b0(h,M)為多項式，s為傳遞函數中常用的拉普拉斯變化后的變量，h,M分別為飛行高度和馬赫數，σ(h,M)是俯仰回路的延遲時間，K(h,M)為隨h,M變化的增益，al(h,M),l=0,1,2,…,m-1為多項式A(h,M,s)中隨h,M變化的系數簇，bi(h,M),i=0,1,2,…,n-1為多項式B(h,M,s)中隨h,M變化的系數簇；2、候選多級PID控制器的傳遞函數為：Gc(s)=Πi=1N[kP(i)+kI(i)/s+kD(i)·s]]]>式中，kc為待確定的常數增益，N為整數，表示待確定的多級PID控制器的級數，kP(i)、kI(i)、kD(i)i=1,2,…,N為待確定的常數；加入多級PID控制器后，整個系統的開環傳遞函數為：G(s)Gc(s)=e-σ(h,W)sK(h,W)A(h,W,s)B(h,W,s本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種縱向飛行模型簇復合根軌跡多級PID控制器設計方法，其特點是包括以下步驟：?
1）給定不同高度、馬赫數下通過掃頻飛行試驗直接由允許飛行的全包線內的幅頻和相頻特性構成飛行器全包線內的升降舵與飛行高度之模型簇，對應的飛行器升降舵與飛行高度之間開環傳遞函數簇描述為：?
其中?
A(h,M,s)=sm+am-1(h,M)sm-1+am-2(h,M)sm-2+…+a1(h,M)s+a0(h,M)、?
B(h,M,s)=sn+bn-1(h,M)sn-1+bn-2(h,M)sn-2+…+b1(h,M)s+b0(h,M)為多項式，s為傳遞函數中常用的拉普拉斯變化后的變量，h,M分別為飛行高度和馬赫數，σ(h,M)是俯仰回路的延遲時間，K(h,M)為隨h,M變化的增益，al(h,M),l=0,1,2,…,m-1為多項式A(h,M,s)中隨h,M變化的系數簇，b...

【專利技術屬性】
技術研發人員：史忠科，
申請(專利權)人：西安費斯達自動化工程有限公司，
類型：發明
國別省市：