[发明专利]一种三自由度直升机抗饱和姿态跟踪控制方法

说明书

一种三自由度直升机抗饱和姿态跟踪控制方法，步骤如下：(一)给定期望跟踪值：期望姿态角x_d＝[ρ_d ε_d]^T；(二)姿态角跟踪误差计算：期望姿态角与实际姿态角之间的误差z₁＝x‑x_d；(三)虚拟控制律设计：设计v_d并求其对时间的导数作为神经网络中状态量；(四)神经网络设计：逼近3‑DOF直升机动力学方程中的不确定项；(五)辅助控制系统设计：设计状态量解决输入饱和问题；(六)模型控制律设计：利用辅助控制系统状态量修正姿态角速度跟踪误差项，结合神经网络估计不确定项，最终得到模型控制律；(七)将模型控制律应用于3‑DOF直升机非线性模型，进行姿态角跟踪仿真。该方法能够逼近模型不确定项、抑制外界扰动影响、抗执行机构饱和，跟踪任意期望姿态，保证系统渐近稳定，简化计算过程。

技术领域

本发明提供一种三自由度(3-DOF)直升机抗饱和姿态跟踪控制方法，它为三自由度直升机提供一种抑制外界扰动影响、抗执行机构输入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

直升机是一种以动力装置驱动的旋翼作为主要升力及动力来源,能垂直起降及前后、左右机动飞行的航空飞行器，不管是在军事还是民用上面都有很广泛的应用。3-DOF直升机是一类常见的欠驱动、高阶次、多入多出(MIMO)的非线性系统，并且具有较强的通道耦合特性，可以实现对实际直升机飞行控制系统较为真实全面和客观的模拟，是一台验证各种控制算法有效性的非常理想的科研平台。然而，在3-DOF实现姿态跟踪的过程中，当3-DOF模型本身存在不确定性，或在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3-DOF直升机模型执行机构存在限位设置，从而出现执行机构饱和等问题。

因此发明“一种三自由度直升机抗饱和姿态跟踪控制方法”是把以上问题作为切入点，而提出的有针对性、基于抗输入饱和的3-DOF直升机模型的姿态跟踪控制理论，可利用神经网络逼近3-DOF直升机模型的不确定项，抑制外界扰动对系统的影响，改善执行机构的饱和问题，保证系统的渐进稳定性，实现模型的有效姿态跟踪，为3-DOF直升机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3-DOF直升机抗饱和姿态跟踪控制方法，控制工程师可以在结合实际参数的同时，按照该方法实现3-DOF直升机抗不确定项、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“一种三自由度直升机抗饱和姿态跟踪控制方法”，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虚拟控制律；利用神经网络逼近3-DOF直升机模型中的不确定项，设计辅助控制系统解决执行机构饱和问题，随后基于3-DOF直升机动力学方程得到控制量；最终将此控制量用于3-DOF直升机模型。在实际应用当中，3-DOF直升机的姿态、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螺旋桨等执行机构，即可实现3-DOF直升机抗不确定项、抗扰动、抗执行机构饱和问题的姿态跟踪控制功能。

本发明“一种三自由度直升机抗饱和姿态跟踪控制方法”，其具体步骤如下：

步骤一给定期望姿态x_d＝[ρ_d ε_d]^T。

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z₁＝x-x_d。

步骤三设计虚拟控制律v_d。

步骤四神经网络设计：逼近3-DOF直升机动力学方程中的不确定项。

步骤五辅助控制系统设计：设计状态量解决输入饱和问题。