一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法

摘要

一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法，步骤如下：给定期望跟踪值；制导误差计算：计算期望位置与实际位置之间的距离误差，角度误差；动力学方程纵横向分解，控制器设计只取其横向状态量；求解离散化系统方程：对由以上步骤得到的平流层飞艇横侧向连续系统进行线性化处理，并且也将误差导数和进行线性化处理。然后将飞艇横向状态量和误差当成扩展状态量，并且对扩展连续状态空间方程离进行离散化处理；预测系统未来动态：根据由组合惯导等传感器测量得到的当前状态量预测未来某一段时间的状态量或输出量；构造模型预测控制目标函数：由预测状态量构造目标函数，并用标准QP算法进行求解得到系统输入量。

主权项

一种基于模型预测控制的平流层飞艇平面路径跟踪控制方法，其特征在于具体步骤如下：步骤一给定期望跟踪值：给定期望平面路径；给定期望俯仰角θ_c、期望滚转角φ_c；给定期望速度υ_c；步骤二制导误差计算：计算期望位置与实际位置之间的距离误差e，角度误差所述的制导误差计算，其计算方法如下：1)计算期望路径的方向角Ψ_p＝arctan(a)，方向角误差其中Ψ为飞艇偏航角，a为路径参数直线斜率；2)计算飞艇当前位置与期望路径垂直距离误差p＝[x,y]^T为平流层飞艇的当前位置，其中a路径参数直线斜率，b路径参数直线截距；3)计算期望偏航角为Δ＞0为控制参数；4)计算方向角误差导数r为飞艇偏航角速度；5)计算距离误差导数其中u为飞艇前向速度，v为飞艇侧向速度；步骤三动力学方程纵横向分解：将动力学方程按照纵横向进行分解，控制器设计只取其横向状态量；步骤四求解离散化系统方程：对由以上步骤得到的平流层飞艇横侧向连续系统进行线性化处理，并且也将误差导数和进行线性化处理；然后将飞艇横向状态量和误差当成扩展状态量，并且对扩展连续状态空间方程进行离散化处理,所求解离散化系统方程，其计算方法如下：1)线性化处理定义扩展状态变量对扩展后系统方程在参考点和u_r＝0进行线性化；线性化后得：$\stackrel{·}{\stackrel{~}{X}}={\int }_{x,r}\tilde{X}+{\int }_{u,r}\tilde{u}---\left(1\right)$其中和为相对于参考点的误差；f_x,r和f_u,r为连续系统方程分别对X和u的偏导数；其中误差方程线性化后为$\stackrel{·}{e}=Ucos\left({\Psi }_{LOS}\right)\bar{\Psi }+vcos\left({\Psi }_{LOS}\right)---\left(2\right)$$\stackrel{·}{\stackrel{‾}{\Psi }}=r$2)计算离散系统方程由于采样时间一般都有比较短，我们可以采用前向差分的方法对连续系统进行离散化，设采样周期为T,线性化后的扩展状态空间方程为：$\stackrel{·}{\stackrel{~}{X}}=A\tilde{X}+B\tilde{u}---\left(3\right)$则离散化之后的离散系统状态空间方程为：${\stackrel{·}{\stackrel{~}{X}}}_{K+1}=A_K{\tilde{X}}_K+B_K{\tilde{u}}_K---\left(4\right)$其中A_K＝A*T+I B_K＝B*T；步骤五预测系统未来动态：根据由组合惯导等传感器测量得到的当前状态量预测未来某一段时间的状态量或输出量；步骤六构造模型预测控制目标函数：由预测状态量构造目标函数，并用标准QP算法进行求解得到系统输入量u_k。