专利名称：一种平流层驻留飞艇姿态控制方法
技术领域：
本发明涉及飞艇的姿态控制方法，特别涉及一种平流层驻留飞艇姿态控制的方法。
背景技术：
平流层飞艇是指一种依靠轻于空气的气体(如氦气、氢气等)产生静浮力升空，依靠控制系统、推进系统在平流层空域定点驻留和低速机动的飞行器，具有留空时间长、载荷量大、效费比高、隐身性能好、生存能力强、可快速机动部署等优点，广泛应用于侦察监视、 战区预警、通信中继、环境监测、应急救灾、科学探测等领域，当前已成为航空领域的研究热点。平流层飞艇的总体布局、飞行机理以及工作模式显著不同于飞机、导弹等常规飞行器， 提出了一系列飞行控制领域的新课题，其中，定点驻留是其应用的关键技术之一。平流层驻留飞艇的姿态运动具有非线性、耦合、不确定等特点，且易受参数摄动和外界扰动的影响。 因此，姿态控制成为其飞行控制系统设计的难点。已有研究成果中，飞艇姿态控制方法大都基于线性化动力学模型进行设计，未考虑非线性因素及各通道之间的耦合作用，仅在平衡点附近有效，当存在模型不确定、外界干扰时控制性能无法保证。此外，目前飞艇的姿态控制方法均针对低速巡航状态进行研究，对驻留飞艇的姿态控制研究尚未见报道。发明内容
本发明针对平流层驻留飞艇的姿态控制问题，提出了基于姿态动力学非线性模型的模糊变结构解耦控制方法，该方法综合了微分几何、变结构控制和模糊系统理论，采用内外环控制策略，内环采用非线性状态反馈控制实现输入-输出线性化，外环采用滑模变结构控制实现对模型不确定性和外界扰动的稳定控制；为有效抑制滑模变结构控制引发的抖振，以变结构控制的滑模面及其变化率为模糊控制器的输入，以趋近律参数为模糊控制器的输出设计了模糊变结构姿态控制系统，通过模糊规则在线调整控制律参数，由该方法控制的闭环系统能够稳定跟踪指令姿态角，且具有良好的鲁棒性和动态性能，为平流层驻留飞艇姿态控制的工程实现提供了有效的设计手段。实际应用中，飞艇姿态由组合导航系统测量得到，将由该方法计算得到的控制量传输至矢量推力螺旋桨和气阀等执行机构即可实现驻留飞艇姿态控制功能。
本发明的技术方案如下
一种平流层驻留飞艇姿态控制方法，按以下步骤进行
步骤一给定指令姿态角，给定指令俯仰角θ。，指令偏航角Ψ。，指令滚转角Φ。；
步骤二 误差量计算，计算指令姿态角与实际姿态角测量值之间的误差量e ；
步骤三反馈线性化变换推导驻留飞艇的姿态运动方程，通过选取状态向量、控制向量和输出向量，得到非线性姿态控制系统，基于微分几何理论将非线性姿态控制系统输入输出解耦为俯仰、偏航和滚转三个通道的线性子系统；
步骤四滑模变结构姿态控制律设计选取滑模面和趋近律，采用滑模变结构控制方法设计姿态控制律，得到系统的伪控制量ν ；
步骤五模糊控制器设计以滑模面及其变化率为模糊控制器的输入，以趋近律参数为模糊控制器的输出设计模糊变结构控制器，通过模糊规则在线调整控制律参数以抑制滑模变结构控制导致的抖振；
步骤六实际控制量计算将满足设计指标要求的伪控制量通过反变换，转换为姿态控制系统的实际控制量U;
其中在步骤一中所述的指令姿态角为Ω。= [θ。，φε]τ, 0c> φ。分别为指令俯仰角、偏航角和滚转角，上标T表示向量或矩阵的转置；
在步骤二中所述的计算指令姿态角与实际姿态角测量值之间的误差量，其计算方法为
e = Ω。-Ω = [ θ c-θ，ψ。-ψ，φ。-φ]τ(1)
Ω = [θ，ψ，Φ]τ为实际姿态角的测量值，θ、ψ、φ分别为导航测量的俯仰角、 偏航角和滚转角；
在步骤三中所述的将非线性姿态控制系统输入输出解耦为俯仰、偏航和滚转三个通道的线性子系统，其方法如下
1)建立姿态控制系统模型
基于动量、动量矩定理推导可得平流层驻留飞艇的姿态运动方程
权利要求
1.一种平流层驻留飞艇姿态控制方法，按以下步骤进行步骤一给定指令姿态角，给定指令俯仰角θ。，指令偏航角Ψ。，指令滚转角Φ。； 步骤二 误差量计算，计算指令姿态角与实际姿态角测量值之间的误差量e ； 步骤三反馈线性化变换推导驻留飞艇的姿态运动方程，通过选取状态向量、控制向量和输出向量，得到非线性姿态控制系统，基于微分几何理论将非线性姿态控制系统输入输出解耦为俯仰、偏航和滚转三个通道的线性子系统；步骤四滑模变结构姿态控制律设计选取滑模面和趋近律，采用滑模变结构控制方法设计姿态控制律，得到系统的伪控制量ν ；步骤五模糊控制器设计以滑模面及其变化率为模糊控制器的输入，以趋近律参数为模糊控制器的输出设计模糊变结构控制器，通过模糊规则在线调整控制律参数以抑制滑模变结构控制导致的抖振；步骤六实际控制量计算将满足设计指标要求的伪控制量通过反变换，转换为姿态控制系统的实际控制量u。
2.权利要求1所述一种平流层驻留飞艇姿态控制方法，其特征在于在步骤一中所述的指令姿态角为Ω。= [θ。，ψ。，φ。]τ，θ。、ψ。、Φ。分别为指令俯仰角、偏航角和滚转角，上标T表示向量或矩阵的转置；在步骤二中所述的计算指令姿态角与实际姿态角测量值之间的误差量，其计算方法为e = Ωε-Ω = [θε-θ , ψε-ψ, φε-φ]τ(1)Ω = [θ，ψ，Φ]τ为实际姿态角的测量值，θ、ψ、φ分别为导航测量的俯仰角、偏航角和滚转角；在步骤三中所述的将非线性姿态控制系统输入输出解耦为俯仰、偏航和滚转三个通道的线性子系统，其方法如下 1)建立姿态控制系统模型
全文摘要
本发明涉及一种平流层驻留飞艇姿态控制方法。针对平流层驻留飞艇的姿态控制问题，采用模糊变结构解耦控制方法，通过反馈线性化将非线性姿态控制系统输入输出解耦为三个通道的线性子系统；利用滑模变结构控制对模型不确定及外界扰动的不变性设计姿态控制系统，保证了系统的鲁棒性；通过模糊规则在线调整控制律参数，有效地抑制滑模变结构控制导致的抖振，提高系统的动态性能。
文档编号G05D1/08GK102495633SQ20111043579
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者吴杰, 杨跃能, 邹东升, 郑伟 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学