一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制方法及控制系统

摘要

本发明公开了一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制方法及控制系统，包括(1)获得面对称高超声速飞行器机载传感器的测量信息；(2)分析高超声速飞行器横侧向的滚摆比特性和荷兰滚耦合模态的稳定特性；(3)分析高超声速飞行器副翼操纵时的控制耦合模态特性；(4)反馈滚转角速率到副翼改善荷兰滚阻尼特性；(5)反馈侧滑角速率到方向舵改善荷兰滚耦合模态的阻尼特性，抑制运动耦合影响；(6)反馈侧滑角偏差到方向舵，改善荷兰滚耦合模态的稳定特性；(7)反馈滚转角偏差到侧滑角指令，利用荷兰滚耦合，实现滚转控制。本发明降低了耦合控制对气动舵面操纵能力的需求，减轻了飞行器总体设计的压力。

说明书

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器控制技术，特别是涉及一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制方法及控制系统。

背景技术

高超声速飞行器采用面对称布局和高升阻比外形，具有飞行速度快、飞行距离远、机动能力强、突防概率高的特点，以独特的优势在现代战争的远程突防中具有重要的地位，受到世界各国的高度重视。2010年，美国先后发射了HTV-2、X-37B和X-51A三种不同用途的高超声速飞行器，这三次高密度的飞行试验，引起了全世界范围内的密切关注，掀起了高超声速飞行器研制的又一轮高潮。在这种发展趋势推动下，开展高超声速飞行器控制相关的理论与方法研究，无论在理论上还是在工程都具有重要的意义。

由于超高的飞行速度和复杂的飞行环境，高超声速飞行器具有明显区别与传统飞行器的特点，使得飞行控制面临着许多传统飞行器所未曾遇到的控制难题。与传统的飞行器相比，高超声速飞行器马赫数、迎角、高度、动压变化范围很大，不稳定性、强耦合性、强非线性、强不确定性相互叠加，严重影响了飞行器的稳定性，尤其是在大迎角飞行时，三通道耦合严重，并且横航向表现为严重的非最小相位特性，这对控制系统的设计提出了严重的挑战。

目前，针对面对称飞行器三通道耦合问题，大多采用解耦控制，但是高超声速飞行器由于空域和速域跨度大，在不同的动压区域，操纵能力差异大，尤其是在大迎角飞行时舵面操纵能力不足，很难直接进行解耦控制。因此，急需针对高超声速飞行器开展新的耦合控制技术研究。

发明内容

发明目的：针对面对称高超声速飞行器偏航与滚转通道之间存在的荷兰滚耦合和横侧向控制耦合模态，结合飞行器的大滚摆特性和滚转控制偏离特性，提出了一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制方法及控制系统，降低了耦合控制对气动舵面操纵能力的需求,减轻了飞行器总体设计的压力。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制方法，包括以下步骤：

(1)获得面对称高超声速飞行器机载传感器的测量信息；

(2)分析面对称高超声速飞行器横侧向的滚摆比特性和荷兰滚耦合模态的稳定特性；

(3)分析面对称高超声速飞行器副翼操纵时的控制耦合模态特性；

(4)根据步骤(2)和步骤(3)的分析结果，反馈滚转角速率到副翼改善荷兰滚阻尼特性；

(5)在步骤(4)的基础上，反馈侧滑角速率到方向舵改善荷兰滚耦合模态的阻尼特性，抑制运动耦合影响；

(6)反馈侧滑角偏差到方向舵，改善荷兰滚耦合模态的稳定特性；

(7)反馈滚转角偏差到侧滑角指令，利用荷兰滚耦合，实现滚转控制。

进一步的，步骤(1)中传感器的测量信息包括滚转角φ、滚转角速率p、偏航角速率r、迎角α和侧滑角β，并利用滚转角速率p、偏航角速率r和迎角α信息，计算当前状态下侧滑角速率的近似值为：

进一步的，步骤(2)中荷兰滚耦合模态的稳定导数的计算公式为：

其中，为偏航静稳定导数，为滚转静稳定导数，为滚摆比，为偏航-滚转耦合作用下的滚转力矩对侧滑角β的偏导数，为滚转-偏航耦合作用下的偏航力矩对侧滑角β的偏导数，I_xz为绕x轴和z轴的惯性积，I_x为绕x轴的转动惯量，α为迎角；

当滚摆比满足下式时，荷兰滚模态静稳定，是一种有利耦合，利用滚转控制；

进一步的，步骤(3)中控制耦合模态的偏离导数LCDP为：

其中，为偏航力矩对控制量δ的偏导数，为滚转力矩对控制量δ的偏导数；为偏航-滚转耦合作用下的滚转力矩对侧滑角β的偏导数，为滚转-偏航耦合作用下的偏航力矩对侧滑角β的偏导数，α为迎角；

当操纵面产生对偏航通道产生的耦合力矩满足下式时，横侧向控制会产生偏离，是一种不利耦合，由于这种控制耦合是由于副翼的偏转引起的，需要回避这种不利耦合，此时不能采用副翼控制滚转，需要通过其他的控制舵面实现；

进一步的，步骤(4)中将滚转角速率p反馈到副翼δ_a，副翼通道的控制律为：

δ_a＝K_p·p；

其中，δ_a为副翼偏转角度，K_p为滚转角速率反馈增益；

反馈滚转角速率后的荷兰滚耦合模态的阻尼导数ξ_d为：

其中，为偏航阻尼力矩对偏航角速率r的偏导数，为滚转通道的阻尼导数滚转阻尼力矩对滚转角速率p的偏导数，为滚转力矩对副翼δ_a的偏导数，I_z为绕z轴的转动惯量，I_x为绕x轴的转动惯量，为偏航-滚转耦合作用下的滚转力矩对侧滑角β的偏导数，为滚转-偏航耦合作用下的偏航力矩对侧滑角β的偏导数，α为迎角。

进一步的，步骤(5)中将侧滑角速率反馈到方向舵，方向舵通道的控制律为：

其中，δ_r为方向舵偏转角度，为侧滑角变化率反馈增益；

侧滑角速率无法直接通过传感器测量得到，根据运动方程可知：

其中，Y为侧力，m为质量，V为速度，g₂为重力加速度分量，α为迎角，p为滚转角速率，r为偏航角速率；

由于高超声速飞行器侧力相对较小，侧向加速度小，侧滑角速率近似为：

将近似的侧滑角速率反馈到方向舵，方向舵通道的控制律为：

反馈侧滑角速率后，能够进一步改善荷兰滚耦合模态的阻尼导数ξ_d：

其中，为偏航阻尼力矩对偏航角速率r的偏导数，K_r为偏航角速率反馈增益，为偏航力矩对方向舵δr的偏导数，为考虑偏航-滚转耦合的滚转力矩对侧滑角β的偏导数，为考虑滚转-偏航耦合的偏航力矩对侧滑角β的偏导数，I_z为绕z轴的转动惯量，I_x为绕x轴的转动惯量，为滚转阻尼力矩对滚转角速率p的偏导数，K_p为滚转角速率反馈增益，为滚转力矩对副翼δ_a的偏导数，K_r为偏航角速率反馈增益。

进一步的，步骤(6)中将侧滑角指令β_c与侧滑角β之间的偏差信号△β＝β_c-β反馈到方向舵，方向舵通道的控制律为：

其中，δ_r为方向舵偏转角度，K_β为侧滑角反馈增益，为侧滑角变化率反馈增益，为侧滑角速率；

侧滑角反馈主要用于荷兰滚耦合模态的增稳，反馈侧滑角后，荷兰滚耦合模态的稳定导数为：

其中，为滚转-偏航耦合作用下的偏航力矩系数对侧滑角β的偏导数，为偏航力矩对方向舵δ_r的偏导数，为偏航-滚转耦合作用下的滚转力矩系数对侧滑角β的偏导数，α为迎角；

当时，荷兰滚耦合模态稳定，侧滑角反馈增益K_β主要取决于操稳比操稳比越大，K_β越小。

进一步的，步骤(7)中获得滚转角指令信号φ_c，将滚转角指令φ_c与滚转角φ之间的偏差信号△φ＝φ_c-φ反馈到侧滑角指令，根据滚转角偏差△φ得到侧滑角指令β_c：

β_c＝K_φ·△φ＝K_φ·(φ_c-φ)；

其中，K_φ为滚转角反馈增益，并限制侧滑角指令β_c在方向舵控制能力允许的范围内，利用飞行器的大滚摆特性，通过方向偏产产生侧滑，进而诱发滚转；越大，上反效应越强，侧滑角产生的滚转力矩越大，滚转角反馈增益K_φ与滚摆比和内回路带宽直接相关，滚摆比越大，K_φ越小。

本发明还提供了一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制系统，包括第一加法器、滚转角比例器、Sigmoid函数器、第二加法器、侧滑角比例器、第三加法器、侧滑角速率比例器、滚转角速率比例器和第四加法器，滚转角指令φ_c和滚转角φ经过第一加法器后输入滚转角比例器，滚转角比例器输出与Sigmoid函数器的输入连接，Sigmoid函数器输出的侧滑角指令β_c与侧滑角β经过第二加法器后输入侧滑角比例器；偏航角速率r与滚转角速率p经过函数变换后得到侧滑角速率近似值，然后输入侧滑角速率比例器；侧滑角速率比例器输出与侧滑角比例器输出经过第三加法器后得到方向舵偏转角度δ_r；滚转角速率p经过滚转角速率比例器后得到副翼偏转角度δ_a。有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)在改善荷兰滚阻尼方面，本发明充分利用了面对称高超声速飞行器大滚摆比的特性和副翼效率高的特点，通过滚转角速率信号到副翼的反馈改善滚转通道的运动阻尼，进而改善荷兰滚阻尼；同时充分利用侧滑角变化率信号，有效地抑制了面对称高超声速飞行器大迎角大机动飞行时运动耦合的影响，提高了耦合抑制的效果；

(2)在耦合控制策略方面，与解耦控制策略相比，本发明充分利用了面对称高超声速飞行器的大滚摆比特性，利用副翼偏转改善荷兰滚耦合模态的阻尼，通过偏航通道主动产生侧滑角，进而利用飞行器的上反效应产生滚转。这种利用耦合的控制策略，减小了副翼偏转角度，进而减小了副翼操纵带来的控制耦合影响，降低了控制偏离产生的可能性，同时降低了解耦控制对方向舵操纵能力的需求；

(3)在控制系统鲁棒性方面，与解耦控制策略相比，回避了对具有极大不确定性的控制耦合模态的耦合抑制，提出了利用耦合的控制策略，提高了对“副翼-偏航耦合力矩系数”不确性参数的适应范围，改善了横侧向控制的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的控制结构图；

图2为本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

面对称高超声速飞行器横侧向运动主要体现为偏航与滚转的耦合运动，偏航-滚转通道之间主要存在3类耦合：气动耦合、运动耦合、操纵耦合，这3类耦合相互作用，相互激发，形成表征横侧向运动的2个主要耦合模态：荷兰滚耦合模态、横侧向控制耦合模态，荷兰滚耦合模态在很大程度上表征了横侧向的运动稳定性，横侧向控制耦合模态则表征了控制输入对横侧向运动的耦合影响。

本发明中所提到的“副翼”和“方向舵”分别是指滚转通道和偏航通道的所有控制舵面的统称，不是飞行器机体结构上单个的物理舵面，如左升降副翼、右升降副翼、左V尾、右V尾，左升降副翼和右升降副翼可以一起定义为“副翼”，左V尾和右V尾可以一起定义“方向舵”。

本发明中“方向舵通道控制滚转，方向舵和副翼通道共同增稳荷兰滚耦合模态”，在增稳荷兰滚耦合模态的基础上，利用荷兰滚耦合模态，回避横侧向控制耦合模态，实现横侧向的耦合控制。首先，反馈滚转角速率p到副翼偏转角度δ_a，通过副翼产生的滚转力矩改善滚转通道的阻尼导数，利用面对称高超声速飞行器的大滚摆比特性，通过改善滚转通道的阻尼导数进而改善荷兰滚耦合模态的阻尼特性；其次，反馈侧滑角速率到方向舵偏转角度δ_r，利用方向舵产生的滚转力矩和偏航力矩改善滚转通道和偏航通道的阻尼导数，进而改善荷兰滚耦合模态的阻尼特性；同时利用滚转角速率p和偏航角速率r的运动学关系，抑制大迎角大机动过程中运动耦合的影响；反馈侧滑角偏差△β到方向舵偏转角度δ_r，利用方向舵产生的偏航力矩改善偏航通道的稳定性，进而改善荷兰滚耦合模态的稳定性；反馈滚转角偏差信号△φ到侧滑角指令信号β_c，根据滚转角偏差△φ形成侧滑角指令β_c，并将侧滑角指令β_c限制在控制舵面允许的范围内，通过侧滑角控制，利用方向舵产生的偏航力矩使飞行器主动偏转产生侧滑角，利用大滚摆比飞行器的荷兰滚耦合特性，进而产生滚转角，实现横侧向的滚转控制。

利用“方向舵通道控制滚转并增稳荷兰滚，副翼改善荷兰滚耦合模态的阻尼”，副翼偏转角度小，对偏航通道的耦合影响小，减小了副翼操纵带来的控制耦合影响，同时降低了对方向舵的控制需求，也降低了控制偏离产生的可能性。

如图1所示，一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制系统，包括第一加法器、滚转角比例器、Sigmoid函数器、第二加法器、侧滑角比例器、第三加法器、侧滑角速率比例器、滚转角速率比例器和第四加法器，滚转角指令φ_c和滚转角φ经过第一加法器后输入滚转角比例器(滚转角反馈增益为K_φ)，滚转角比例器输出与Sigmoid函数器的输入连接，Sigmoid函数器输出的侧滑角指令β_c与侧滑角β经过第二加法器后输入侧滑角比例器(侧滑角反馈增益为K_β)；偏航角速率r与滚转角速率p经过函数变换后得到侧滑角速率近似值，然后输入侧滑角速率比例器(侧滑角速率反馈增益为)；侧滑角速率比例器输出与侧滑角比例器输出经过第三加法器后得到方向舵偏转角度δ_r；滚转角速率p经过滚转角速率比例器(滚转角速率反馈增益为K_p)后得到副翼偏转角度δ_a。

如图2所示，一种利用耦合的面对称高超声速飞行器横侧向控制方法，在面对称高超声速飞行器的每个控制周期,计算横侧向的控制舵面输出指令：副翼偏转角度和方向舵偏转角度，具体包括以下步骤：

步骤1：获得面对称高超声速飞行器机载传感器的测量信息：滚转角φ、滚转角速率p、偏航角速率r、迎角α和侧滑角β，利用滚转角速率p、偏航角速率r和迎角α信息，计算当前状态下侧滑角速率的近似值；

步骤2：分析面对称高超声速飞行器横侧向的滚摆比特性和荷兰滚耦合模态的稳定特性，荷兰滚耦合模态的稳定导数的计算公式为：

其中，为偏航静稳定导数，为滚转静稳定导数，为滚摆比，为偏航-滚转耦合作用下的滚转力矩对侧滑角β的偏导数，为滚转-偏航耦合作用下的偏航力矩力矩对侧滑角β的偏导数，I_xz为绕x轴和z轴的惯性积，I_x为绕x轴的转动惯量，α为迎角；由公式(1)可知，荷兰滚耦合模态的稳定的导数主要与偏航静稳定导数滚转静稳定导数滚摆比以及迎角有关。

滚摆比越大，滚转运动对荷兰滚耦合模态稳定性的影响越大，滚转与偏航通道的耦合越大，荷兰滚耦合模态静不稳定的程度越小。

当滚摆比满足公式(2)时，荷兰滚模态静稳定，是一种有利耦合，利用滚转控制。控制系统设计时，在保证荷兰滚耦合模态稳定的基础上，可以考虑利用荷兰滚耦合。

步骤3：分析高超声速飞行器副翼操纵时的控制耦合模态特性，控制耦合模态的偏离导数LCDP：

其中，为偏航力矩对控制量δ的偏导数，为滚转力矩对控制量δ的偏导数；有公式(3)可知，LCDP主要与偏航力矩导数滚摆比和滚转偏航操纵比有关。

滚摆比越大，操纵面产生的偏航力矩对横侧向的偏离特性影响越大，当操纵面产生对偏航通道产生的耦合力矩满足公式(4)时，横侧向控制会产生偏离，是一种不利耦合。由于这种控制耦合是由于副翼的偏转引起的，可以考虑回避这种不利耦合，此时不能采用副翼控制滚转，可以通过方向舵或者其他控制舵面实现。

步骤4：根据步骤2和步骤3的分析结果，反馈滚转角速率到副翼改善荷兰滚阻尼特性；

将滚转角速率p反馈到副翼δ_a,副翼通道的控制律为：

δ_a＝K_p·p>

其中，δ_a为副翼偏转角度，K_p为滚转角速率反馈增益。

反馈滚转角速率后的荷兰滚耦合模态的阻尼导数ξ_d为：

其中，为偏航阻尼力矩对偏航角速率r的偏导数，为滚转通道的阻尼导数滚转阻尼力矩对滚转角速率p的偏导数，为滚转力矩对副翼δ_a的偏导数，I_z为绕z轴的转动惯量，I_x为绕x轴的转动惯量，为偏航-滚转耦合作用下的滚转力矩对侧滑角β的偏导数，为滚转-偏航耦合作用下的偏航力矩对侧滑角β的偏导数，K_p为滚转角速率反馈增益，α为迎角。

当滚摆比和惯量比的乘积很大时，滚转通道的阻尼导数对荷兰滚耦合模态的阻尼导数ξ_d影响大，通过反馈滚转角速率p到副翼，通过改善进而改善荷兰滚耦合模态的阻尼导数ξ_d。

同时，由于副翼效率高，副翼产生的滚转力矩导数与滚转通道的阻尼导数的比值大，K_p只要取很小的值就可以达到改善的目的。因此利用副翼改善荷兰滚模态的阻尼特性可以减小副翼的偏转角度，进而减小副翼操纵对航向的耦合影响，降低副翼操纵偏离的可能性。

步骤5：在步骤(4)的基础上，反馈侧滑角速率到方向舵改善荷兰滚耦合模态的阻尼特性，抑制运动耦合影响；

将侧滑角速率反馈到方向舵，方向舵通道的控制律为：

其中，δ_r为方向舵偏转角度，为侧滑角变化率反馈增益。

侧滑角速率无法直接通过传感器测量得到，根据运动方程可知：

其中，Y为侧力，m为质量，V为速度，g₂为重力加速度分量，α为迎角，p为滚转角速率，r为偏航角速率。

侧滑角速率与滚转角速率p、偏航角速率r、迎角α、侧向加速度密切相关。由于高超声速飞行器侧力相对较小，侧向加速度小，侧滑角速率可以近似为：

将近似的侧滑角速率反馈到方向舵，方向舵通道的控制律为：

由于运动耦合的影响，当产生较大的滚转角速率p时，滚转角速率p和迎角α直接转化为侧滑角速率，增大侧滑角变化的趋势。通过侧滑角速率的反馈，利用方向舵偏转抑制侧滑角速率，进而抑制侧滑角的增加。

反馈侧滑角速率后，可以进一步改善荷兰滚耦合模态的阻尼导数ξ_d：

其中，为偏航力矩对方向舵δ_r的偏导数，K_r为偏航角速率反馈增益。

步骤6：反馈侧滑角偏差到方向舵，改善荷兰滚耦合模态的稳定特性；

将侧滑角指令β_c与侧滑角β之间的偏差信号△β＝β_c-β反馈到方向舵，方向舵通道的控制律为：

侧滑角反馈主要用于荷兰滚耦合模态的增稳，反馈侧滑角后，荷兰滚耦合模态的稳定导数为：

其中，为考虑滚转-偏航耦合的偏航力矩系数对侧滑角β的偏导数。

当时，荷兰滚耦合模态稳定。侧滑角反馈增益K_β主要取决于操稳比操稳比越大，K_β越小。

步骤7：反馈滚转角偏差到侧滑角指令，利用荷兰滚耦合，实现滚转控制；

获得滚转角指令信号φ_c，将滚转角指令φ_c与滚转角φ之间的偏差信号△φ＝φ_c-φ反馈到侧滑角指令，根据滚转角偏差△φ得到侧滑角指令β_c：

β_c＝K_φ·△φ＝K_φ·(φ_c-φ)>

其中，K_φ为滚转角反馈增益。并限制侧滑角指令β_c在方向舵控制能力允许的范围内。利用飞行器的大滚摆特性，通过方向偏产产生侧滑，进而诱发滚转。越大，上反效应越强，侧滑角产生的滚转力矩越大。滚转角反馈增益K_φ与滚摆比和内回路带宽直接相关，滚摆比越大，K_φ越小。

根据步骤1～3，分析所设计的高超声速飞行器横侧向的滚摆比特性、荷兰滚耦合特性和副翼操纵偏离特性，根据对象的特点，设计横侧向的控制律；根据步骤4～6改善荷兰滚模态的阻尼特性和稳定特性，根据控制系统的指标要求，步骤4～6可以重复迭代直到满足指标要求；根据步骤7设计滚转控制律，滚转控制律作为侧滑角控制的外回路，必须与侧滑角控制回路带宽匹配，可以重复迭代步骤4～7，直到满足指标要求。