推力矢量飛行器的自抗擾控制設(shè)計及控制分配

王湘

【摘 要】推力矢量技術(shù)能夠直接改變飛行器的推力大小和推力方向，是實現(xiàn)現(xiàn)代飛行器高機動性能的重要技術(shù)方案。由于推力矢量飛行器具有飛行空域大、飛行動作復(fù)雜、飛行任務(wù)多樣化等特點，導(dǎo)致其控制系統(tǒng)的非線性強并且外部環(huán)境變化劇烈。因此，如何設(shè)計能夠應(yīng)對大不確定性的控制方案是推力矢量飛行器控制設(shè)計的一個關(guān)鍵問題。同時，推力矢量飛行器具有控制輸入冗余的特性，并且不同控制輸入的優(yōu)先級不同，如何合理有效的設(shè)計控制分配方案是其控制設(shè)計的另一個關(guān)鍵問題。

【關(guān)鍵詞】推力矢量飛行器；自抗擾控制設(shè)計；控制分配

推力矢量飛行器往往需要在大功角等具有大不確定性和強非線性的區(qū)域高質(zhì)量地完成飛行動作，因此，如何應(yīng)對大范圍不確定性是推力矢量飛行器控制設(shè)計的關(guān)鍵問題。另一方面，推力矢量飛行器包含多種控制輸入并且不同控制輸入具有不同物理特性。因此，控制輸入分配也是推力矢量飛行器控制設(shè)計的關(guān)鍵問題。為了對付大范圍的不確定性，本文引入虛擬控制量的概念，采用自抗擾控制技術(shù)實現(xiàn)對飛行過程中的總擾動的實時估計和補償。進(jìn)一步，考慮控制輸入的物理約束條件，提出了保證虛擬控制量達(dá)到設(shè)計值并使得發(fā)動機能耗最小的控制輸入分配方案。通過建立對應(yīng)的優(yōu)化問題，嚴(yán)格分析其最優(yōu)解的性質(zhì)并提出了有限步求解最優(yōu)控制分配輸入量的算法。在仿真環(huán)境下，提出的控制算法有效實現(xiàn)了推力矢量飛行器大功角區(qū)域的機動動作，并能應(yīng)對大范圍的氣動參數(shù)不確定性.

一、重要性

推力矢量飛行器具有控制量冗余的特性，如何合理規(guī)劃控制分配方案是其控制設(shè)計的一個關(guān)鍵點。針對舵面控制輸入冗余的情況，已有的研究提出了一些控制分配方法，包括鏈?zhǔn)竭f增法（daisychaining）、直接分配法（directallocation）、廣義逆方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等。鏈?zhǔn)竭f增法考慮了不同控制量的工作效率與能耗，通過優(yōu)先分配高效低能耗的控制量，提出逐級分配控制量的方案。直接分配法給出了在控制受限情況下的控制可行集，再通過分析可行解集合獲得最接近需求的控制分配方案。廣義逆方法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法通過設(shè)計優(yōu)化準(zhǔn)則求解控制分配方案。由于推力矢量飛行器的推力大小可調(diào)節(jié)并且具有相對能耗大、響應(yīng)速度慢等不同于舵面控制輸入的特點，因此已有的只針對飛行器舵面輸入冗余的控制分配方法不能直接運用于推力矢量飛行器的控制分配.推力矢量飛行器控制分配問題的關(guān)鍵在于如何合理分配不同優(yōu)先級的控制輸入，同時，如何快速求解分配方案進(jìn)而滿足控制輸入的實時性是控制分配中急需解決的問題.

二、自抗擾控制的起源及原理

自抗擾控制是韓京清先生在基于誤差來消除誤差并吸取現(xiàn)代控制理論成就的基礎(chǔ)上，于1998年正式提出的。ADRC是一種可以解決具有大范圍及復(fù)雜結(jié)構(gòu)（非線性、時變、耦合等）不確定系統(tǒng)控制問題的有效方法。其核心思想是以簡單的“積分器串聯(lián)型”作為反饋的標(biāo)準(zhǔn)型，把系統(tǒng)動態(tài)中異于標(biāo)準(zhǔn)型的部分視為“總擾動”（包括內(nèi)擾和外擾），對于“總擾動”進(jìn)行估計，并主動補償“總擾動”對系統(tǒng)的影響，從而把充滿擾動、不確定性和非線性的被控對象線性化為標(biāo)準(zhǔn)型，使得控制系統(tǒng)的涉及從復(fù)雜到簡單、從抽象到直觀。

ADRC主要包括三個環(huán)節(jié)，分別是：跟蹤微分器（trackingdifferentiator，TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（extendedstateobserver，ESO）、狀態(tài)誤差反饋（stateerrorfeedback，SEF）。在ADRC的具體應(yīng)用中可以根據(jù)這三個部分的結(jié)構(gòu)不同分為很多種不同的形式，因此，在實際應(yīng)用中，基于這一框架下可以根據(jù)具體對象的特點設(shè)計出不同結(jié)構(gòu)的ADRC，基于系統(tǒng)整體上可以分為非線性和線性兩大類，ADRC大致可以分為非線性ADRC（nonlinearADRC，NADRC）和線性ADRC（linearADRC，LADRC）。

三、優(yōu)化措施

（一）自抗擾的應(yīng)用

化工、煉油、冶金、電站、制藥和造紙等工業(yè)生產(chǎn)過程及其他實際系統(tǒng)廣泛存在著時滯現(xiàn)象，如狀態(tài)時滯、輸入時滯、傳輸時滯或輸出測量時滯、容積時滯等。由于時滯的存在，使得被控量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，產(chǎn)生明顯的超調(diào)和較長的調(diào)節(jié)時間，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

由于ADRC不依賴于精確的對象模型，并具有抗干擾能力強、精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單等特點，得到了國內(nèi)外學(xué)者廣泛而深入的應(yīng)用研究，如非圓車削中快速刀具伺服系統(tǒng)的精密跟蹤控制、無刷直流伺服電機的低速摩擦補償、典型分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)，機器人無標(biāo)定手眼協(xié)調(diào)、異步電機調(diào)速系統(tǒng)、微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）或微機械陀螺儀、化工過程精餾塔、飛行器控制、剛體航天器姿態(tài)跟蹤、永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)、柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)、超導(dǎo)加速器諧振腔控制、化工過程連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（continuousstirredtankreactor，CSTR）、電站機爐協(xié)調(diào)控制、氣化爐控制系統(tǒng)等。（時滯自抗擾控制綜述王麗君）。選擇自抗擾控制器控制對象時，需要知道對象的階數(shù)。雖然自抗擾控制器是一種無模型控制器，但是這里所說的無模型并非指沒有模型，而是針對所有對象都具有一個普遍的、共性的模型。

（二）關(guān)于控制技術(shù)改良模型的基本架構(gòu)

其改良模型的基本架構(gòu)包括遙控器、飛控、電調(diào)、電機、機架、正反槳葉、電池、GPS、夜航燈和防撞圈等。其中遙控器是向飛控發(fā)出信號實現(xiàn)飛；飛控是核心，它是飛行器的大腦，來保持自身穩(wěn)定飛行，接收遙控器發(fā)出的信號，并將信號傳輸給電調(diào)來告訴它將如何飛行；電調(diào)是飛控的控制信號，其轉(zhuǎn)變成電流的大小，來控制電機的轉(zhuǎn)速。其中包括動力裝置、機翼、機身、起落裝置尾翼組成。動力裝置是在動力裝置上，主要用來產(chǎn)生力量，其包括拉力和推力，使模型機前進(jìn)。其次還可為機身上的其他用儲存電量的裝置。現(xiàn)在飛機動力裝置應(yīng)用較廣泛的有：航空活塞式發(fā)動機加螺旋槳推進(jìn)器、渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機和渦輪風(fēng)扇發(fā)動機。除了發(fā)動機本身，動力裝置還包括一系列保證發(fā)動機正常工作的系統(tǒng)。機翼的主要功用是產(chǎn)生升力，以支持飛機在空中飛行，同時也起到一定的穩(wěn)定和操作作用。在機翼上一般安裝有副翼和襟翼，進(jìn)行對副翼的操作可以使機身實現(xiàn)滾動操作襟翼可以提升升力，加大升力。在機翼上還可安裝核心機，起落時用的架子。在不同用途的飛行機上其機翼形狀、大小也各有不同。機身的主要主要用處是能承載東西，其中包括乘客，物品，和一些設(shè)備，可以將飛機的其他部件如連接成一個整體。起落裝置是飛機的起落架大都由減震支柱和機輪組成，功能是能實現(xiàn)平穩(wěn)起飛，平穩(wěn)下降，安全著地和滑翔，地面滑行和停放時支撐飛機。尾翼包括水平和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可動的升降舵組成，有的高速飛機將水平安定面和升降舵合為一體成為全動平尾。垂直尾翼中包括固定翼尾垂直的和能動性的裝置。尾翼的作用是操縱機身的視角和偏俯度，進(jìn)而能確保機身能平穩(wěn)地飛行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊曉峰，鄭瓊林.基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略[J].中國電機工程學(xué)報，2012，32（18）：59-65.