主权项 |
一种基于时标功能分解的高超声速飞行器执行器饱和控制方法,通过以下步骤实现:(a)建立高超声速飞行器动力学模型:<maths num="0001" id="cmaths0001"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>V</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>T </mi><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>-</mo><mi>D</mi></mrow><mi>m</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi>μ</mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi></mrow><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000011.GIF" wi="1825" he="129" /></maths><maths num="0002" id="cmaths0002"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>h</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mi>V </mi><mi>sin</mi><mi>γ</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000012.GIF" wi="1825" he="79" /></maths><maths num="0003" id="cmaths0003"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>γ</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>L</mi><mo>+</mo><mi>T </mi><mi>sin</mi><mi>α</mi></mrow><mi>mV</mi></mfrac><mo>-</mo><mfrac><mrow><mi>μ</mi><mo>-</mo><msup><mi>V</mi><mn>2</mn></msup><mi>r</mi><mi>cos</mi><mi>γ</mi></mrow><msup><mi>Vr</mi><mn>2</mn></msup></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000013.GIF" wi="1826" he="134" /></maths><maths num="0004" id="cmaths0004"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>α</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mi>q</mi><mo>-</mo><mover><mi>γ</mi><mo>·</mo></mover><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000014.GIF" wi="1825" he="71" /></maths><maths num="0005" id="cmaths0005"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>q</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><mfrac><msub><mi>M</mi><mi>yy</mi></msub><msub><mi>I</mi><mi>yy</mi></msub></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000015.GIF" wi="1825" he="152" /></maths>该模型由五个状态变量X<sub>s</sub>=[V,h,α,γ,q]<sup>T</sup>和两个控制输入U<sub>c</sub>=[δ<sub>e</sub>,β]<sup>T</sup>组成;其中,V表示速度,γ表示航迹倾角,h表示高度,α表示攻角,q表示俯仰角速度,δ<sub>e</sub>是舵偏角,β为节流阀开度;T、D、L和M<sub>yy</sub>分别代表推力、阻力、升力和俯仰转动力矩;m、I<sub>yy</sub>、μ和r代表质量、俯仰轴的转动惯量、引力系数以及距地心的距离;(b)定义X=[x<sub>1</sub>,x<sub>2</sub>,x<sub>3</sub>,x<sub>4</sub>]<sup>T</sup>,其中x<sub>1</sub>=h,x<sub>2</sub>=γ,x<sub>3</sub>=θ,x<sub>4</sub>=q,θ=α+γ;因为γ非常小,取sinγ≈γ;考虑到Tsinα远小于L,在控制器设计过程中忽略;将速度和高度看作慢变量,将姿态相关量看作快变量,得到以下三个子系统:速度子系统(1)写为如下形式:<maths num="0006" id="cmaths0006"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>V</mi><mo>·</mo></mover><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mi>V</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mi>V</mi></msub><msub><mi>u</mi><mi>V</mi></msub></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000016.GIF" wi="293" he="80" /></maths>u<sub>V</sub>=β高度‑航迹角子系统(2)写为如下形式:<maths num="0007" id="cmaths0007"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>x</mi><mo>·</mo></mover><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>V </mi><mi>sin</mi><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>≈</mo><msub><mi>Vx</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000017.GIF" wi="742" he="71" /></maths>考虑快变量姿态子系统(3)‑(5),此过程视慢变量不变,得如下形式:<maths num="0008" id="cmaths0008"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>x</mi><mo>·</mo></mover><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000018.GIF" wi="451" he="71" /></maths><maths num="0009" id="cmaths0009"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>x</mi><mo>·</mo></mover><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>x</mi><mn>4</mn></msub></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000019.GIF" wi="577" he="71" /></maths><maths num="0010" id="cmaths0010"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>x</mi><mo>·</mo></mover><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>4</mn></msub><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>g</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>3</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>x</mi><mn>4</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msub><mi>u</mi><mi>A</mi></msub></mrow>]]></math><img file="FDA00005584525900000110.GIF" wi="721" he="71" /></maths>u<sub>A</sub>=δ<sub>e</sub>其中f<sub>i</sub>,g<sub>i</sub>,i=1,2,3,4,V是根据(1)‑(5)得到的未知项,分为标称值f<sub>iN</sub>,g<sub>iN</sub>与不确定性△f<sub>i</sub>,△g<sub>i</sub>;(c)考虑采样时间T<sub>s</sub>非常小,通过欧拉近似法得到各子系统离散模型:V(k+1)=V(k)+T<sub>s</sub>[f<sub>V</sub>(k)+g<sub>V</sub>(k)u<sub>V</sub>(k)]x<sub>1</sub>(k+1)=x<sub>1</sub>(k)+T<sub>s</sub>[f<sub>1</sub>(k)+g<sub>1</sub>(k)x<sub>2</sub>(k)]x<sub>i</sub>(k+1)=x<sub>i</sub>(k)+T<sub>s</sub>[f<sub>i</sub>(k)+g<sub>i</sub>(k)x<sub>i+1</sub>(k)] (6)x<sub>4</sub>(k+1)=x<sub>4</sub>(k)+T<sub>s</sub>[f<sub>4</sub>(k)+g<sub>4</sub>(k)u<sub>A</sub>(k)]其中i=2,3;进一步建立系统(6)的预测模型x<sub>2</sub>(k+3)=f<sub>A</sub>(k)+g<sub>A</sub>(k)u<sub>A</sub>(k) (7)其中f<sub>A</sub>(k)=x<sub>2</sub>(k+2)+T<sub>s</sub>f<sub>2</sub>(k+2)+T<sub>s</sub>g<sub>2</sub>(k+2)x<sub>3</sub>(k+1)+T<sub>s</sub><sup>2</sup>g<sub>2</sub>(k+2)f<sub>3</sub>(k+1)+T<sub>s</sub><sup>2</sup>g<sub>2</sub>(k+2)g<sub>3</sub>(k+1)x<sub>4</sub>(k)+T<sub>s</sub><sup>3</sup>g<sub>2</sub>(k+2)g<sub>3</sub>(k+1)f<sub>4</sub>(k)g<sub>A</sub>(k)=T<sub>s</sub><sup>3</sup>g<sub>2</sub>(k+2)g<sub>3</sub>(k+1)g<sub>4</sub>(k)相应的标称值记为:f<sub>AN</sub>(k)和g<sub>AN</sub>(k);(d)在动力学参数未知情况下,采用神经网络对系统不确定部分进行估计,按照标称值设计控制器;针对速度子系统,定义θ<sub>V</sub>(k)=[V(k),X<sup>T</sup>(k),V<sub>d</sub>(k+1)]<sup>T</sup>,z<sub>V</sub>(k)=V(k)‑V<sub>d</sub>(k),<maths num="0011" id="cmaths0011"><math><![CDATA[<mrow><msubsup><mi>F</mi><mi>V</mi><mi>C</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>X</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>f</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msubsup><mi>G</mi><mi>V</mi><mi>C</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>X</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>g</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>;</mo></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000021.GIF" wi="1139" he="90" /></maths>设计辅助控制器<maths num="0012" id="cmaths0012"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>V</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mi>V</mi></msub><msub><mi>z</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msubsup><mi>F</mi><mi>VN</mi><mi>C</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>X</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msubsup><mi>G</mi><mi>VN</mi><mi>C</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>X</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>+</mo><msubsup><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>V</mi><mi>T</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>S</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000022.GIF" wi="1297" he="166" /></maths>其中0<C<sub>V</sub><1为误差比例系数,<img file="FDA0000558452590000023.GIF" wi="587" he="90" />是<img file="FDA0000558452590000024.GIF" wi="252" he="90" />和<img file="FDA0000558452590000025.GIF" wi="251" he="90" />的标称值,<img file="FDA0000558452590000026.GIF" wi="138" he="82" />为神经网络权重向量的估计值,S<sub>V</sub>(·)神经网络基函数向量;实际的节流阀开度选为<img file="FDA0000558452590000027.GIF" wi="709" he="174" />其中β<sub>max</sub>>0为节流阀开度的阈值,根据实际需求选取;定义△β(k)=u<sub>V</sub>(k)‑u<sub>V0</sub>(k)并增加辅助信号e<sub>V</sub>(k);<maths num="0013" id="cmaths0013"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>e</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mi>V</mi></msub><msub><mi>e</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msubsup><mi>G</mi><mi>VN</mi><mi>C</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>X</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Δβ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000037.GIF" wi="843" he="68" /></maths>其初始值e<sub>V</sub>(0)设为零;定义r<sub>V</sub>(k)=z<sub>V</sub>(k)‑e<sub>V</sub>(k);设计神经网络权重自适应更新律为<maths num="0014" id="cmaths0014"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>λ</mi><mi>V</mi></msub><msub><mi>S</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>V</mi></msub><msub><mi>r</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>r</mi><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>δ</mi><mi>V</mi></msub><msub><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>V</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000031.GIF" wi="1288" he="90" /></maths>其中λ<sub>V</sub>>0,0<δ<sub>V</sub><1;定义误差z<sub>1</sub>(k)=x<sub>1</sub>(k)‑x<sub>1d</sub>(k);设计航迹角指令为<maths num="0015" id="cmaths0015"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mn>1</mn><mi>d</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>g</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000032.GIF" wi="755" he="157" /></maths>其中0<C<sub>1</sub><1为误差比例系数,x<sub>1d</sub>表示高度的期望值;定义θ<sub>A</sub>(k)=[X<sup>T</sup>(k),x<sub>2d</sub>(k),x<sub>1d</sub>(k+4)]<sup>T</sup>,z<sub>A</sub>(k)=x<sub>2</sub>(k)‑x<sub>2d</sub>(k);设计辅助控制量<maths num="0016" id="cmaths0016"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>A</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mn>2</mn><mi>d</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><msub><mi>f</mi><mi>AN</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mi>A</mi></msub><msub><mi>z</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mrow><mrow><msub><mi>g</mi><mi>AN</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>+</mo><msubsup><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>A</mi><mi>T</mi></msubsup><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>S</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000033.GIF" wi="1123" he="147" /></maths>其中0<C<sub>A</sub><1为误差比例系数,<img file="FDA0000558452590000034.GIF" wi="140" he="82" />为神经网络权重向量的估计值,S<sub>A</sub>(·)神经网络基函数向量;实际的舵偏角选为<img file="FDA0000558452590000035.GIF" wi="954" he="190" />其中δ<sub>emax</sub>>0为舵偏角的上界,根据实际需求选取;sgn(·)为取符号函数;定义△δ<sub>e</sub>(k)=u<sub>A</sub>(k)‑u<sub>A0</sub>(k)并增加辅助信号e<sub>A</sub>(k);e<sub>A</sub>(k+1)=C<sub>A</sub>e<sub>A</sub>(k)+g<sub>AN</sub>(k)△δ<sub>e</sub>(k)其初始值e<sub>A</sub>(0)设为零;定义r<sub>A</sub>(k)=z<sub>A</sub>(k)‑e<sub>A</sub>(k);设计神经网络权重自适应更新律为<maths num="0017" id="cmaths0017"><math><![CDATA[<mrow><msub><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>λ</mi><mi>A</mi></msub><msub><mi>S</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>θ</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><msub><mi>C</mi><mi>A</mi></msub><msub><mi>r</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>r</mi><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>δ</mi><mi>A</mi></msub><msub><mover><mi>ω</mi><mo>^</mo></mover><mi>A</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>k</mi><mi>A</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math><img file="FDA0000558452590000036.GIF" wi="1361" he="90" /></maths>其中λ<sub>A</sub>>0,0<δ<sub>A</sub><1,k<sub>A</sub>=k‑2;(e)根据得到的舵偏角u<sub>A</sub>(k)和节流阀开度u<sub>V</sub>(k),返回到高超声速飞行器的动力学模型(1)‑(5),对高度和速度进行跟踪控制。 |