[发明专利]一种基于固定时间微分器预测的抗时延高精度自抗扰姿态控制方法

权利要求书

1.一种基于固定时间微分器预测的抗时延高精度自抗扰姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：设计固定时间收敛微分器并获取姿态变化速率观测值；所述设计固定时间收敛微分器并获取姿态变化速率观测值的过程为：

第一步：利用速率陀螺获取延时kh的飞行器姿态信息其中h表示采样周期，k表示延时的周期个数，表示俯仰角，为偏航角，为滚转角；

第二步：分别针对俯仰、偏航和滚转三个通道构建如下所示的三阶固定时间收敛微分器：

其中下标分别表示对应参数为俯仰、偏航和滚转通道的参数；y_i(t)表示不同通道的测量值，即t表示时间，z_1i表示不同通道姿态角的观测值；z_2i表示不同通道姿态变化速率的观测值；z_3i表示不同通道姿态变化加速度观测值，分别表示z_1i、z_2i和z_3i关于时间t的导数，α_1i，α_2i，α_3i表示大于1的高幂次项幂指数；β_1i，β_2i，β_3i表示小于等于1的低幂次项幂指数，k_1i和κ_1i分别对应于固定时间收敛微分器高幂次项和低幂次项的增益系数；

第三步：设定俯仰、偏航、滚转通道的微分器初值为z_1i(0)＝y_1i(0)，z_2i＝0，z_3i＝0，y_1i(0)表示的是俯仰角、偏航角和滚转角的初始状态；

第四步：采用欧拉积分方法，利用俯仰、偏航和滚转通道的姿态初值以及微分器形式(1)进行解算，在每个解算周期内获取和并更新z_1i、z_2i和z_3i，则z_2i即为期望获取的三通道姿态角变化速率；

步骤二：基于预测器预测实时飞行状态；所述预测器预测实时飞行状态的过程为：

其中和为预测后的实时姿态角变化速率，和为预测后的实时姿态角；

步骤三：构建飞行器三通道姿态误差跟踪模型；所述三通道姿态误差跟踪模型的构建过程为：

第一步：基于绕质心转动动力学和姿态运动学构建飞行器姿态变化模型为：

其中ω＝[ω_x,ω_y,ω_z]为飞行器体轴的滚转、偏航、俯仰姿态角速率矢量，是俯仰、偏航和滚转角，δ表示飞行器的副翼、方向舵和升降舵，d表示飞行器的姿态通道扰动量，B₁表示三通道的输入矩阵，J表示飞行器的转动惯量矩阵，表示Ω关于时间的导数，表示ω关于时间的导数，R表示转换矩阵，

其中J_x、J_y、J_z分别为体轴转动惯量，J_xy、J_xz、J_yz分别为不同惯性积；

第二步：基于输入输出线性化方法对公式(3)进行线性化，得到相对阶为2的精确线性化模型为：

其中，表示姿态角矢量Ω关于时间的二次导数，表示转换矩阵R关于时间的导数；

第三步：设定一阶状态量x₁＝Ω，二阶状态量为则得出飞行器姿态变化模型为如下形式：

其中表示x₁关于时间的导数，表示x₂关于时间的导数，M表示姿态变化模型的总扰动量；

第四步：设定三通道姿态角指令Ω_c和姿态角指令变化率则飞行器姿态误差跟踪模型为：

其中X₁＝x₁-Ω_c，X₁表示俯仰、偏航、滚转三通道姿态角与姿态角指令的偏差；X₂和均表示X₁关于时间的导数；表示X₂关于时间的导数，D表示姿态误差跟踪模型的总扰动量；

步骤四：构建包含扰动状态观测器和非线性反馈律的自抗扰控制系统，利用飞行器实时飞行状态，通过自抗扰控制系统生成实时气动舵的摆动指令；飞行器自抗扰控制系统的构建过程为：

第一步：同样采用微分器(1)，对(7)中X₁和X₂进行观测，得到估计值设定为和需要说明的是，代入X₁中的x₁项为(2)中经过预测更新后的俯仰、偏航、滚转姿态角和

第二步：以俯仰通道为例，采用如下形式的非线性反馈律：

其中x₁、x₂即为和中俯仰通道对应状态量，r、d为待设计量，h即为采样步长，为俯仰通道控制量，即矢量RJ^-1B₁δ中与俯仰通道的对应分量；偏航通道和滚转通道采用相同形式的反馈控制律，最后三通道解算出的控制量矢量形式设定为

第三步：以俯仰通道为例，采用如下形式的扰动状态观测器：

其中x₂即为中俯仰通道对应状态量，z₁为对x₂的观测值，U₁为上一控制解算周期俯仰通道的总控制量，z₂即为对扰动D在俯仰通道的分量的估计值；偏航通道和滚转通道采用相同形式的扰动观测器，最后三通道扰动观测器输出的扰动量设定为分别为z₁和z₂关于时间的导数；β₀₂，β₀₃表示扰动状态观测器的增益系数；

第四步：综合公式(8)和公式(9)，推导可得三通道的最终控制量为：

其中δ即为三通道的副翼、方向舵和升降舵。