引用本文

路遥.  一种非仿射高超声速飞行器输出反馈控制方法.  自动化学报,  2022, 48(6): 1530−1542 doi:  10.16383/j.aas.c210131

Lu Yao.  A method of output feedback control for non-affine hypersonic vehicles.  Acta Automatica Sinica,  2022, 48(6): 1530−1542 doi:  10.16383/j.aas.c210131

http://aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c210131

关键词

高超声速飞行器,非仿射,输出反馈,状态估计,输入约束,跟踪微分器

摘要

针对一类考虑模型非仿射特性和执行机构饱和特性的高超声速飞行器轨迹跟踪控制问题, 提出一种基于backstepping的输出反馈非线性控制方法. 考虑执行机构故障激发的未知非线性动态, 建立了非仿射形式飞行器模型. 为解决实际工程应用中存在的气流角测量值难以使用的问题, 利用高度和速度测量值以及高阶微分器设计了航迹倾角在线估计方法. 基于跟踪微分器设计了模型干扰项的估计方法, 并解决了backstepping方法应用中存在的“微分项爆炸”问题. 引入辅助系统降低控制量饱和带来的不利影响. 基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性. 最后, 通过对比仿真实验验证了所提方法的有效性.

文章导读

高超声速飞行器(Hypersonic flight vehicle, HFV)一般是指飞行速度超过5倍声速的有翼或无翼飞行器. 它具有速度快、反应时间短、突防能力强等特点, 能够有效提高远程作战效能, 具有重要的军事意义, 因此成为当今世界军事强国所广泛关注的焦点[1-5].

控制系统作为HFV的重要分系统之一, 是飞行器安全飞行、完成既定任务的重要保证. 自上世纪90年代以来, 许多学者致力于HFV控制器设计研究. 然而, HFV具有飞行包线大、飞行特性复杂、外部环境多变、动态特性存在强非线性和不确定性、气动与推进系统之间存在严重耦合等特点, 为其设计控制器具有很大的挑战性. 为了降低控制器设计工作的复杂度, 部分学者选择首先针对HFV纵向通道模型进行控制器设计研究. 但即使如此, HFV纵向通道数学模型仍是复杂的. 为此, 学者们通过对HFV纵向模型数据进行研究分析, 通过一定的假设条件, 将HFV纵向模型简化为最小相位系统, 或严反馈仿射非线性系统等相对容易进行控制器设计的形式, 然后基于自适应控制[6]、backstepping[7-8]、滑模控制[9]、鲁棒控制[10]等较成熟的设计工具设计HFV控制器, 取得了很好的控制效果.

近年来, 为提高控制器的实际应用前景, 许多学者放弃部分模型简化假设, 针对非仿射形式HFV模型进行控制器设计研究. 部分学者吸取控制理论研究中已有的针对非仿射非线性系统的相关成果[11-15], 将其应用于非仿射HFV控制器设计中. 如文献[16]基于文献[15]中的方法, 针对HFV纵向短周期姿态控制系统设计了非线性跟踪控制器, 取得了一定的控制效果. 文献[17]考虑执行机构中存在未知非线性动态, 同样基于文献[15]中的方法, 针对变几何进气道HFV设计了容错控制器, 实现了对速度和航迹倾角的稳定跟踪. 但是, 由于针对非仿射非线性系统的理论研究成果通常基于特定的非线性模型和一定的假设, 而非仿射HFV模型具有一些独特特性, 因此在将理论成果直接应用于HFV实际模型中时, 会被迫对HFV模型进行一定的限制以满足理论成果的要求, 如文献[16]要求飞行器的飞行工况必须保持恒定的航迹倾角, 文献[17]设计的控制器难以保证俯仰角速度变化较快情况下的控制效果. 因此, 在非仿射HFV控制器设计研究中, 不能简单地套用已有的先进理论控制方法, 需针对HFV模型的特点设计合适的、适用性更广的飞行控制器. 其他针对非仿射HFV模型控制器设计研究中, 文献[18]针对HFV轨迹跟踪问题, 设计了一种预设性能backstepping控制器, 采用中值定理处理模型中的非仿射项, 保证了闭环系统具有较好的跟踪精度. 文献[19]提出一种模糊自适应姿态控制方法, 将模型中的非仿射项视为总不确定项中的一部分, 仿真结果表明该方法具有较好的鲁棒性. 文献[20]提出一种基于动态逆的backstepping姿态控制方法, 设计扩张状态观测器估计含非仿射特性的不确定项, 取得了良好的控制效果. 文献[21]设计了一种预设性能控制器, 通过一定的合理性假设将模型中的非仿射项转化为仿射形式设计控制器, 仿真结果验证了所提方法的有效性. 文献[22]设计了一种基于神经网络的预设性能控制器, 利用神经网络估计模型中的非仿射项, 取得了良好的跟踪控制效果.

文献[16-22]中所提方法均取得了良好的控制效果. 然而, 以上方法均需使用攻角、航迹倾角等气流角的测量值构建控制律, 这使得上述方法难以应用于HFV工程实际中. 在HFV实际飞行过程中, 相较速度、高度、俯仰角和俯仰角速度, 攻角、航迹倾角气流角是难以准确测量的[23-26]. 这是由于在高超声速飞行状态下, 气动加热作用很强, 气流角传感器的性能会显著下降. 此时, 如果控制律设计中仍直接采用气流角的测量信息会带来较大的控制误差, 严重时会导致闭环系统不稳定[27]. 虽然采用新型的埋装式大气数据传感器可在一定程度上提高气流角的测量精度, 但这种方案需要在飞行器机身上布置多个压力孔和传感器, 代价较高[28]. 因此, 在HFV控制器设计中, 应避免使用航迹倾角或攻角的状态量构建控制器. 对于这一点, 已有部分文献针对仿射化HFV模型进行了研究[23-26]. 然而, 文献[23-24]设计的针对仿射化HFV非线性模型的控制器结构比较复杂, 实际应用时会严重影响飞控软件计算耗时, 且未考虑执行机构饱和特性; 文献[25-26]均需对仿射化HFV模型进行线性化, 而HFV模型具有强非线性和模型参数不确定的特点, 不利于使用小扰动线性化或反馈线性化方法进行研究. 根据工程实际情况, 直接针对非仿射HFV非线性模型, 在不使用航迹倾角和攻角模型输出值的情况下进行控制器设计研究是非常必要的. 此外, 受产品物理实现的限制, HFV的控制舵面存在饱和特性, 同时在飞行过程中执行机构可能因故障激发某些未知非线性动态, 这些也是在控制器设计过程中必须予以考虑的.

以前述需求为牵引, 本文针对非仿射HFV纵向通道非线性动力学模型, 在不使用航迹倾角和攻角模型输出值以及考虑执行机构存在未知非线性动态和饱和特性的情况下, 研究其轨迹跟踪控制问题, 提出一种基于backstepping的输出反馈控制方法. 基于飞行过程中可得到的相对精确的速度和高度测量值, 在线估计航迹倾角状态用于控制律设计中. 通过跟踪微分器和高阶微分器在线估计信号的一阶、二阶导数, 用于估计模型干扰项和解决backstepping应用中存在的“微分项爆炸”问题. 设计辅助变量降低控制量饱和对控制性能的影响. 基于Lyapunov理论证明闭环系统的稳定性. 最后, 通过对比仿真试验验证所设计控制器的有效性.

图 1  控制器结构图

本文针对非仿射HFV轨迹跟踪控制问题, 面向工程实际需求, 提出了一种无需气流角测量值和考虑执行机构饱和特性的输出反馈控制方法. 通过对比仿真实验验证了所设计方法在航迹倾角测量精度较差和控制量发生饱和的情况下仍具有良好的控制性能. 与现有的针对非仿射HFV轨迹跟踪控制问题的控制方案相比, 所设计方法解决了工程实际中气流角测量精度差以及执行机构存在不确定非线性动态和饱和特性的问题, 具有更好的工程应用前景.

作者简介

路遥：北京航天自动控制研究所高级工程师. 主要研究方向为非线性控制理论及其在飞行控制中的应用. E-mail: luyaosacred@126.com