基于PID控制器和L1自适应控制器的姿态控制方法

摘要

本发明公开了一种基于PID控制器和L1自适应控制器的姿态控制方法，通过PID控制器对期望情况下飞行器姿态系统的稳定控制，再利用L1自适应控制器实时估计姿态系统中的扰动误差，并对估计出的扰动误差进行快速补偿；本发明基于PID控制器和L1自适应控制器的姿态控制方法利用PID控制器和L1自适应控制器补偿由于建模误差引入的内部扰动及飞行环境对飞行器产生的外界扰动，可以在无法获得飞行器准确数学模型，存在外界扰动的情况下，实现对飞行器姿态的稳定控制，具有较强鲁棒性。

主权项

一种基于PID控制器和L1自适应控制器的姿态控制方法，其特征在于：通过PID控制器对期望情况下飞行器姿态系统的稳定控制，再利用L1自适应控制器实时估计姿态系统中的扰动误差，并对估计出的扰动误差进行快速补偿，包括以下步骤，(1)获得期望欧拉角和某一时刻iT_s的实际姿态角，并计算PID控制器的输入误差向量，获得PID控制器的控制输出信号，其计算公式为：${\tau }_{PID}=K_p{\eta }_e+K_d\frac{{\mathrm{d\eta }}_e}{dt}+\int K_i{\eta }_e·dt$其中，输入误差向量的计算公式为：η_e＝η_d‑η；式中：η_d为第iT_s时刻期望的欧拉角，η为第iT_s时刻飞行器的姿态向量；K_p＝diag(K_p1,K_p2,K_p3)，K_i＝diag(K_i1,K_i2,K_i3)，K_d＝diag(K_d1,K_d2,K_d3)，分别为PID控制反馈系数矩阵且均为正定阵；(2)根据上一时刻(i‑1)T_s的控制输出，更新iT_s时刻的L1自适应控制器的状态估计器的状态值，其计算公式为：$\stackrel{·}{\hat{\omega }}=-J^{-1}(\omega \times J\omega )+J^{-1}(\tau +\sigma )+A_p(\hat{\omega }-\omega )$式中：J＝diag(J_x,J_y,J_z)为飞行器的转动惯量矩阵；为第iT_s时刻L1自适应控制器的状态估计器的状态向量；ω为第(i‑1)T_s时刻姿态系统的角速度向量；τ为第(i‑1)T_s时刻飞行器的总控制输入向量；σ为第(i‑1)T_s时刻L1自适应控制器所计算的扰动向量；A_p为一个用来定义估计误差收敛特性的Hurwitz矩阵；(3)通过第iT_s时刻状态估计器的状态值和姿态系统的角速度值，计算第iT_s时刻扰动误差，其计算公式为：$\sigma \left(t\right)={\mathrm{JA}}_p{(I-\exp (A_p{T}_s\left)\right)}^{-1}\exp \left(A_p{T}_s\right){\omega }_e\left({\mathrm{iT}}_s\right),\forall t\in [{\mathrm{iT}}_s,(i+1)T_s]$其中：估计误差向量的计算公式为：式中：为第iT_s时刻状态估计器的状态向量；ω为第iT_s时刻姿态系统的角速度向量；T_s为控制算法运行的时间间隔；(4)通过低通滤波器对L1自适应控制器的扰动误差进行平滑输出，其计算公式为：式中：为低通滤波器的带宽；σ(t)为低通滤波器的输入信号，即在第iT_s时刻扰动误差；τ_L1为低通滤波器的输出信号；(5)计算第iT_s时刻PID控制器和L1自适应控制器的总输出信号，并将总输出信号输入至飞行器的姿态系统控制飞行器的姿态，其计算公式为：τ(iT_s)＝τ_PID‑τ_L1