【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于火箭，具體涉及一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)介紹
1、對(duì)于射程超過(guò)500km的超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭，隨著射程的增大，火箭飛行包線增大，飛行高度從地面延伸至幾十公里的高空不等，飛行速度也從數(shù)十米每秒到數(shù)馬赫不等，控制系統(tǒng)參數(shù)變化十分劇烈，而且惡劣的飛行環(huán)境使得以氣動(dòng)非線性及舵機(jī)故障為代表的非線性擾動(dòng)對(duì)火箭飛行過(guò)程的影響也越加嚴(yán)重。這些影響火箭穩(wěn)定控制的不利因素使得超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭在研制過(guò)程中，亟需研究魯棒性好、自適應(yīng)能力強(qiáng)的自動(dòng)駕駛儀，以保證在高動(dòng)態(tài)飛行過(guò)程中準(zhǔn)確穩(wěn)定跟蹤控制信號(hào)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供了一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，通過(guò)分別設(shè)計(jì)長(zhǎng)周期子系統(tǒng)和短周期子系統(tǒng)用以處理高動(dòng)態(tài)飛行過(guò)程中的長(zhǎng)周期狀態(tài)變量和短周期狀態(tài)變量，以實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭在高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中快速準(zhǔn)確地跟蹤過(guò)載指令，保證超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。
2、本專利技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下：
3、步驟1：采用尾翼控制stt的超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭在高動(dòng)態(tài)飛行過(guò)程中，考慮舵機(jī)系統(tǒng)為一階環(huán)節(jié)，俯仰通道控制模型如式(1)所示：
4、
5、其中，α為攻角，ωz為俯仰角速度，δz為舵偏角，δzc為舵機(jī)偏轉(zhuǎn)指令，m為火箭馬赫數(shù)，ωa為舵機(jī)自然頻率，kα和分別定義為：
6、kα＝0.7ps/mυs
7、
8、其中，p＝p0(1-0.0065h/t0)5.256
9、
10、其中，an、bn、cn、dn、am、bm、cm和dm均為氣動(dòng)常值，由風(fēng)洞測(cè)試獲得；
11、火箭過(guò)載表示為：
12、
13、其中，馬赫數(shù)實(shí)時(shí)更新模型為：
14、
15、其中，cy為縱向風(fēng)阻系數(shù)；
16、在實(shí)際工程中，火箭過(guò)載的計(jì)算過(guò)程為：
17、ay＝(0.7)psca/m??????????????????????(6)
18、其中，ca為風(fēng)阻系數(shù)；
19、高度變化模型如下所示：
20、
21、其中，g為重力加速度、θm為彈道傾角；
22、步驟2：設(shè)計(jì)超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭基于時(shí)間尺度分離的控制結(jié)構(gòu)；
23、步驟2-1：長(zhǎng)周期子系統(tǒng)；
24、時(shí)間尺度分離結(jié)構(gòu)中，過(guò)載變化動(dòng)力學(xué)模型被視作是長(zhǎng)周期子系統(tǒng)，式(4)調(diào)整為：
25、
26、其中，
27、
28、式(8)中的最后一項(xiàng)dη′表示由量測(cè)噪音，舵機(jī)故障造成的外部擾動(dòng)；
29、定義：
30、
31、其中，和分別為系數(shù)和初值；
32、此時(shí)，式(8)改寫為：
33、
34、其中，表示長(zhǎng)周期子系統(tǒng)擾動(dòng)。
35、此時(shí)，式(10)即為超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭縱向通道長(zhǎng)周期子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；
36、步驟2-2：短周期子系統(tǒng)；
37、時(shí)間尺度分離結(jié)構(gòu)中，表示俯仰角速度變化的動(dòng)力學(xué)模型被視作是短周期子系統(tǒng)，系統(tǒng)模型調(diào)整為：
38、
39、其中，
40、
41、式(11)最后一項(xiàng)表示可能存在的外部擾動(dòng)；
42、簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，則式(11)調(diào)整為：
43、
44、其中，和分別為和的初值，為短周期子系統(tǒng)歸一化擾動(dòng)，滿足：
45、
46、此時(shí)式(12)即為超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭縱向通道短周期子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；
47、步驟3：超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)；
48、步驟3-1：設(shè)計(jì)長(zhǎng)周期子系統(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制器；
49、將俯仰速度ωz視為對(duì)長(zhǎng)周期子系統(tǒng)式(10)的虛擬控制；
50、設(shè)計(jì)如下一階滑模面：
51、s1＝ay-ay*????????????????????????(13)
52、其中，ay*表示期望或需用加速度；
53、對(duì)式(13)求導(dǎo)可得：
54、
55、俯仰角速度指令ωzc表示為：
56、
57、其中，c1>0、γ1>0、k1>0和k2>0均為設(shè)計(jì)參數(shù)，為長(zhǎng)周期子系統(tǒng)擾動(dòng)的上界，可由自適應(yīng)項(xiàng)估計(jì)獲得，更新過(guò)程為：
58、
59、步驟3-2：設(shè)計(jì)短周期子系統(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制器；
60、控制俯仰角速度ωzc跟蹤期望俯仰角速度ωz，忽略一階舵機(jī)系統(tǒng)，需用舵偏指令δzc視作是真實(shí)舵偏δz；
61、設(shè)計(jì)新的滑模面：
62、s2＝ωz-ωzc?????????????????????????(17)
63、對(duì)滑模面式(17)求導(dǎo)：
64、
65、舵偏δz表示為：
66、
67、其中，c2>0，γ2>0，k3>0和k4>0為設(shè)計(jì)參數(shù)，為短周期子系統(tǒng)擾動(dòng)的上界，可由自適應(yīng)項(xiàng)估計(jì)獲得，更新過(guò)程為：
68、
69、此時(shí)，采用時(shí)間尺度分離的系統(tǒng)控制器表示為：
70、s1＝ay-ay*
71、
72、s2＝ωz-ωzc
73、
74、步驟3-3：設(shè)計(jì)跟蹤微分器；
75、設(shè)計(jì)跟蹤微分器，用于估計(jì)過(guò)程：
76、
77、其中，r0>0為控制參數(shù)，υ1和υ2為跟蹤微分器的狀態(tài)變量；
78、用sigmoid函數(shù)sgmf(·)代替符號(hào)函數(shù)sign(·)，sgmf(·)定義為：
79、
80、其中，ε表示sigmoid函數(shù)的邊界層寬度。
81、優(yōu)選地，所述k＝180/π。
82、優(yōu)選地，所述ωz和ay由角速度陀螺儀和加速度計(jì)獲得。
83、優(yōu)選地，所述ay*表示期望或需用加速度，該值可預(yù)先設(shè)置或由導(dǎo)引律計(jì)算獲得。
84、本專利技術(shù)的有益效果如下：
85、(1)本專利技術(shù)采用時(shí)間尺度分離駕駛儀結(jié)構(gòu)，從根本上避免超遠(yuǎn)程制導(dǎo)火箭在高動(dòng)態(tài)飛行過(guò)程中過(guò)載變化動(dòng)力學(xué)模型和俯仰角速度變化動(dòng)力學(xué)模型之間時(shí)間尺度不協(xié)調(diào)帶來(lái)的不利影響，使火箭過(guò)載駕駛儀具有良好的控制性能；
86、(2)由于分別為自動(dòng)駕駛儀長(zhǎng)周期子系統(tǒng)和短周期子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自適應(yīng)項(xiàng)和滑模項(xiàng)，使得該自動(dòng)駕駛儀在整體上具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性。
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1.一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述k＝180/π。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述ωz和ay由角速度陀螺儀和加速度計(jì)獲得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述ay*表示期望或需用加速度，該值可預(yù)先設(shè)置或由導(dǎo)引律計(jì)算獲得。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)間尺度分離的過(guò)載駕駛儀設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述k＝180/π。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于時(shí)間尺度分...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：馬乾才，劉明喜，牛智奇，許琛，茍秋雄，李延寧，鞏祥瑞，潘迅，趙小俠，王偉，牛冰，鄭建強(qiáng)，符勝楠，楊靖，裴培，王磊，成高，邵寶川，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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