[发明专利]一种基于H∞和模型修复抗饱和的平流层飞艇姿态控制方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于H∞和模型修复抗饱和的平流层飞艇姿态控制方法，它为平流层飞艇提供一种抑制外界扰动影响、抗执行机构饱和的跟踪期望姿态的新控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

平流层飞艇是一种依靠空气浮力驻空，带有推进系统，不依赖机场或跑道可实现垂直起降、能悬停于任意地理位置上空，运动状态多以巡航为主，可全天侯全天时连续工作的浮空器。然而，在平流层飞艇实现姿态跟踪的过程中，当平流层飞艇模型本身存在不确定性，或在平流层飞行时受到外界扰动干扰时，将会导致系统不稳定；此外，由于平流层飞艇执行机构存在限位设置，并且存在因长时间驻空而引起的误差积累，从而出现执行机构饱和等问题。

此发明“一种基于H∞和模型修复抗饱和的平流层飞艇姿态控制方法”是把以上问题作为切入点，而提出的有针对性、基于平流层飞艇线性化模型进行控制器设计、可使用于非线性平流层飞艇模型的平流层飞艇姿态跟踪控制方法。该方法综合了H∞和模型修复抗饱和控制理论，可抑制外界扰动对系统的影响，改善执行机构饱和问题，保证闭环系统的渐进稳定性，为平流层飞艇的姿态跟踪控制工程提供了一种高效可行的设计手段。

发明内容

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于H∞和模型修复抗饱和的平流层飞艇姿态跟踪控制的方法，控制工程师可以在结合实际参数的同时，按照该方法实现平流层飞艇抗扰动抗执行机构饱和问题的姿态跟踪控制。

(2)技术方案：本发明“一种基于H∞和模型修复抗饱和的平流层飞艇姿态控制方法”，其主要内容及步骤是：先由给定的姿态角期望跟踪值进行误差计算；然后根据姿态运动学方程进行姿态运动学控制计算得到期望角速度；根据H∞和模型修复抗饱和理论计算控制器，随后基于平流层飞艇的线性化动力学方程得到控制量；最终将此控制量用于平流层飞艇非线性模型。在实际应用当中，飞艇的位置、姿态、速度等状态量由组合惯导等传感器测量得到，而由该方法计算得到的控制量将传输至舵机和推进螺旋桨等执行机构，即可实现平流层飞艇抗扰动抗执行机构饱和问题的平面姿态跟踪控制功能。

本发明“一种基于H∞和模型修复抗饱和的平流层飞艇平面姿态控制方法”，其具体步骤如下：

步骤一给定期望跟踪值：给定期望姿态角θ_d,φ_d,ψ_d；给定期望速度u_d,v_d,w_d。

步骤二姿态角跟踪误差计算：计算期望姿态角与实际姿态角之间的误差θ_e,φ_e,ψ_e；计算期望角速度q_d,p_d,r_d。

步骤三H∞抗扰动控制器设计：计算反馈增益K_c。

步骤四计算消除期望姿态角与实际姿态角之间误差所需的无限制控制量，即H∞控制器输出量y_c。

步骤五饱和非线性环节给定控制量限位：计算消除期望姿态角与实际姿态角之间误差所需的饱和控制量sat(μ)。

步骤六模型修复抗饱和控制补偿器设计：计算修正控制量的反馈项v_aw和修正状态量的反馈项y_aw。

步骤七计算经抗饱和控制补偿器修正后的H∞控制器输入μ_c,aw和H∞控制器输出y_c,aw；最终将控制量用于平流层飞艇非线性模型。

其中，在步骤一中所述的给定期望姿态角包括：期望姿态角为Υ_d＝[θ_d,φ_d,ψ_d]^T，可以是时间或路径的函数Υ_d(t)，也可以是定值Υ_d(c)；所述的给定期望速度为V_d＝[u_d,v_d,w_d]^T，u_d,v_d,w_d为期望速度沿艇体坐标系的分解量。

其中，在步骤二中所述的姿态角跟踪误差Υ_e＝[θ_e,φ_e,ψ_e]^T，其计算方法如下：

Υ_e＝Υ-Υ_d