一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法

本发明涉及一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，属于飞行器控制领域。

背景技术：

1、在现代飞行器系统中，自动驾驶仪扮演着至关重要的角色，它负责确保飞行器能够精确地追踪并击中目标。特别是在执行超低空高速掠海任务时，飞行器需要在距离海面非常近的高度飞行，以减少被敌方雷达探测和拦截的可能性。然而，现有的飞行器三回路自动驾驶仪在这种飞行模式下面临着显著的挑战。由于海面波浪、风切变等环境因素的复杂性，飞行器在超低空高速飞行时会受到各种扰动，这些扰动会导致飞行器的飞行姿态发生变化，进而影响飞行轨迹。在这种情况下，现有的自动驾驶仪往往难以维持稳定的飞行高度，容易受到扰动后出现明显的巡飞掉高现象。这种掉高不仅影响了飞行器的机动性，还可能导致飞行器坠入海面，从而造成飞行任务失败。

技术实现思路

1、为了解决飞行器自动驾驶仪在超低空掠海飞行中易受环境扰动影响、导致不稳定的掉高问题，本发明的目的是提供一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，该方法结合传统三回路自动驾驶仪的设计优势和现代控制理论的灵活性，通过引入滑模控制原理，实现对飞行器控制性能的优化。本发明能够在不显著增加控制系统复杂度的前提下，提高控制系统对扰动的响应速度和控制精度。改进后的三回路自动驾驶仪能够在面对超低空高速掠海环境扰动时，迅速调整飞行器的飞行姿态，有效地抑制高度偏差，保持飞行轨迹的稳定性。同时，滑模控制的快速收敛特性保证飞行器能够在短时间内恢复到预定的飞行高度，降低因飞行高度调整不及时而导致的任务失败风险。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开的一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，包括如下步骤：

4、步骤一、通过计算推导俯仰通道传递函数，得到各变量的相关定义：

5、

6、

7、tm、ξm、tα、a1和a2为中间变量；aα为攻角俯仰力矩系数；aω为俯仰阻尼力矩系数；aδ为舵偏俯仰力矩系数；bα为攻角法向力系数；bδ为舵偏法向力系数。

8、步骤二、根据步骤一得到的各变量，基于极点配置计算过载三回路自动驾驶仪参数，所述过载三回路自动驾驶仪参数包括角速度反馈控制系数kg和姿态角反馈控制系数ωi。

9、步骤三、滑模变增益三回路自动驾驶仪内回路增益系数与传统三回路自动驾驶仪保持一致，通过在过载反馈回路上设计滑模变增益，实现增强鲁棒性的目的。

10、为简化计算结果添加中间变量：

11、

12、其中，h、ξ0、ξ1和ξ2为中间变量；v为飞行速度。

13、控制误差为：

14、e＝ayc-ay (2)

15、其中，ayc为俯仰通道的过载指令，ay为过载响应数值。过载反馈回路变增益kac表达式为：

16、

17、其中，中间变量k1＝ξ1+k2(k2-ξ2)；k2为经验预设值，取值具有k2＜ξ2的限制条件。过载反馈的变增益滑模切换条件σeq的表达式为：

18、σeq＝e-kωωeq (4)

19、其中：

20、

21、其中，ωz和分别代表弹体角速度及其导数。

22、步骤四、步骤二的角速度反馈控制系数kg和姿态角反馈控制系数ωi，与步骤三得到的过载反馈回路变增益kac构成基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪。

23、进一步地，步骤一的具体实现方法为：

24、在过载三回路自动驾驶仪设计中，选择状态空间描述为：

25、

26、其中状态x∈rn，rn为n维实数空间，输入u∈rp，rp为p维实数空间；输出y∈rq，rq为q维实数空间。a、b、c和d分别是相应维数的常阵。通常选择状态量为其中α为攻角。输出量为其中aym和分别对应加速度表及角速度陀螺输出信号，根据各个量的物理意义，有：

27、

28、计算传递函数：

29、①加速度ay关于输入舵偏角δz的传递函数

30、

31、②弹道倾角转动角速度关于输入舵偏角δz的传递函数

32、

33、③弹体角速度ωz关于输入舵偏角δz的传递函数

34、

35、④攻角α关于输入舵偏角δz的传递函数

36、

37、因此角速度到加速度的传递函数为：

38、

39、其中各变量的相关定义为：

40、

41、其中，aα为攻角俯仰力矩系数；aω为俯仰阻尼力矩系数；aδ为舵偏俯仰力矩系数；bα为攻角法向力系数；bδ为舵偏法向力系数。

42、进一步地，步骤二的具体实现方法为：

43、内回路的增益系数：角速度反馈控制系数kg和姿态角反馈控制系数ωi的计算表达式如下：

44、

45、其中k'0、k'acω、k'gω表达式为：

46、

47、其中b1、b2、b3的表达式为：

48、

49、其中，tm、ξm、tα、a1和a2为步骤一得到的中间变量；v为飞行速度；自振频率ω，阻尼μ和一阶滞后环节时间常数τ为经验预设值。

50、有益效果：

51、1、本发明公开的一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，结合传统三回路自动驾驶仪的设计优势和现代控制理论的灵活性，通过传统极点配置方法设计三回路自动驾驶仪的内回路特性，基于滑模控制原理改造过载反馈外回路增益，从传统线性增益转为依据切换面会发生改变的时变非线性增益控制参数，能够实现对飞行器控制性能的优化。

52、2、本发明公开的一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，根据飞行状态动力学系数推导俯仰通道的传递函数。基于极点配置原理设计自振频率ω、阻尼μ和一阶滞后环节时间常数τ能够直接计算出自动驾驶仪内回路增益控制参数kg,ωi。在过载反馈外回路引入滑模变增益策略，通过设计参数k2，选择合适的变增益切换值和并且计算得到滑模控制切换条件σeq。当飞行器观测到飞行状态穿越切换条件σeq时，过载反馈外回路增益kac会同时发生切换，以最优的控制增益系数面对模型不确定性和外部干扰，以提升飞行器的鲁棒性和控制精度。

53、3、本发明公开的一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，在实现上述两个有益效果基础上，无需显著增加系统复杂度，提高了飞行器系统对扰动的响应速度和控制精度。改进后的三回路自动驾驶仪能够在面对超低空高速掠海环境扰动时，迅速调整飞行器的飞行姿态，有效抑制高度偏差，维持飞行轨迹的稳定性。同时，滑模控制的快速收敛特性确保飞行器能够在短时间内恢复到预定的飞行高度，显著降低了因高度调整不及时导致的失败风险。

技术特征：

1.一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，其特征在于：包括如下步骤，

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：步骤一的具体实现方法为，

3.如权利要求1所述方法，其特征在：步骤二的具体实现方法为，

技术总结本发明公开的一种基于滑模控制改进的三回路自动驾驶仪设计方法，属于飞行器控制领域。本发明通过极点配置方法设计三回路自动驾驶仪的内回路特性，从传统线性增益转为依据切换面会发生改变的时变非线性增益控制参数，实现对飞行器控制性能的优化。本发明根据飞行状态动力学系数推导俯仰通道的传递函数；基于极点配置原理设计自振频率、阻尼和一阶滞后环节时间常数直接计算出自动驾驶仪内回路增益控制参数；在过载反馈外回路引入滑模变增益策略，通过设计参数k<subgt;2</subgt;，选择合适的变增益切换值和计算得滑模控制切换条件。当飞行器观测到飞行状态穿越切换条件时，过载反馈外回路增益会同时发生切换，以最优的控制增益系数提升飞行器的鲁棒性和控制精度。技术研发人员：张家辉,温求遒,何沁袁,常宇翔,何少越受保护的技术使用者：北京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23