推力矢量飞行器的自抗扰控制设计及控制分配

王湘

【摘 要】推力矢量技术能够直接改变飞行器的推力大小和推力方向，是实现现代飞行器高机动性能的重要技术方案。由于推力矢量飞行器具有飞行空域大、飞行动作复杂、飞行任务多样化等特点，导致其控制系统的非线性强并且外部环境变化剧烈。因此，如何设计能够应对大不确定性的控制方案是推力矢量飞行器控制设计的一个关键问题。同时，推力矢量飞行器具有控制输入冗余的特性，并且不同控制输入的优先级不同，如何合理有效的设计控制分配方案是其控制设计的另一个关键问题。

【关键词】推力矢量飞行器；自抗扰控制设计；控制分配

推力矢量飞行器往往需要在大功角等具有大不确定性和强非线性的区域高质量地完成飞行动作，因此，如何应对大范围不确定性是推力矢量飞行器控制设计的关键问题。另一方面，推力矢量飞行器包含多种控制输入并且不同控制输入具有不同物理特性。因此，控制输入分配也是推力矢量飞行器控制设计的关键问题。为了对付大范围的不确定性，本文引入虚拟控制量的概念，采用自抗扰控制技术实现对飞行过程中的总扰动的实时估计和补偿。进一步，考虑控制输入的物理约束条件，提出了保证虚拟控制量达到设计值并使得发动机能耗最小的控制输入分配方案。通过建立对应的优化问题，严格分析其最优解的性质并提出了有限步求解最优控制分配输入量的算法。在仿真环境下，提出的控制算法有效实现了推力矢量飞行器大功角区域的机动动作，并能应对大范围的气动参数不确定性.

一、重要性

推力矢量飞行器具有控制量冗余的特性，如何合理规划控制分配方案是其控制设计的一个关键点。针对舵面控制输入冗余的情况，已有的研究提出了一些控制分配方法，包括链式递增法（daisychaining）、直接分配法（directallocation）、广义逆方法、数学规划法等。链式递增法考虑了不同控制量的工作效率与能耗，通过优先分配高效低能耗的控制量，提出逐级分配控制量的方案。直接分配法给出了在控制受限情况下的控制可行集，再通过分析可行解集合获得最接近需求的控制分配方案。广义逆方法与数学规划法通过设计优化准则求解控制分配方案。由于推力矢量飞行器的推力大小可调节并且具有相对能耗大、响应速度慢等不同于舵面控制输入的特点，因此已有的只针对飞行器舵面输入冗余的控制分配方法不能直接运用于推力矢量飞行器的控制分配.推力矢量飞行器控制分配问题的关键在于如何合理分配不同优先级的控制输入，同时，如何快速求解分配方案进而满足控制输入的实时性是控制分配中急需解决的问题.

二、自抗扰控制的起源及原理

自抗扰控制是韩京清先生在基于误差来消除误差并吸取现代控制理论成就的基础上，于1998年正式提出的。ADRC是一种可以解决具有大范围及复杂结构（非线性、时变、耦合等）不确定系统控制问题的有效方法。其核心思想是以简单的“积分器串联型”作为反馈的标准型，把系统动态中异于标准型的部分视为“总扰动”（包括内扰和外扰），对于“总扰动”进行估计，并主动补偿“总扰动”对系统的影响，从而把充满扰动、不确定性和非线性的被控对象线性化为标准型，使得控制系统的涉及从复杂到简单、从抽象到直观。

ADRC主要包括三个环节，分别是：跟踪微分器（trackingdifferentiator，TD）、扩张状态观测器（extendedstateobserver，ESO）、状态误差反馈（stateerrorfeedback，SEF）。在ADRC的具体应用中可以根据这三个部分的结构不同分为很多种不同的形式，因此，在实际应用中，基于这一框架下可以根据具体对象的特点设计出不同结构的ADRC，基于系统整体上可以分为非线性和线性两大类，ADRC大致可以分为非线性ADRC（nonlinearADRC，NADRC）和线性ADRC（linearADRC，LADRC）。

三、优化措施

（一）自抗扰的应用

化工、炼油、冶金、电站、制药和造纸等工业生产过程及其他实际系统广泛存在着时滞现象，如状态时滞、输入时滞、传输时滞或输出测量时滞、容积时滞等。由于时滞的存在，使得被控量不能及时反映系统所承受的擾动，产生明显的超调和较长的调节时间，甚至造成系统的不稳定。

由于ADRC不依赖于精确的对象模型，并具有抗干扰能力强、精度高、响应速度快、结构简单等特点，得到了国内外学者广泛而深入的应用研究，如非圆车削中快速刀具伺服系统的精密跟踪控制、无刷直流伺服电机的低速摩擦补偿、典型分数阶系统，机器人无标定手眼协调、异步电机调速系统、微机电系统（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）或微机械陀螺仪、化工过程精馏塔、飞行器控制、刚体航天器姿态跟踪、永磁同步电机调速系统、柔性关节系统、超导加速器谐振腔控制、化工过程连续搅拌反应釜（continuousstirredtankreactor，CSTR）、电站机炉协调控制、气化炉控制系统等。（时滞自抗扰控制综述王丽君）。选择自抗扰控制器控制对象时，需要知道对象的阶数。虽然自抗扰控制器是一种无模型控制器，但是这里所说的无模型并非指没有模型，而是针对所有对象都具有一个普遍的、共性的模型。

（二）关于控制技术改良模型的基本架构

其改良模型的基本架构包括遥控器、飞控、电调、电机、机架、正反桨叶、电池、GPS、夜航灯和防撞圈等。其中遥控器是向飞控发出信号實现飞；飞控是核心，它是飞行器的大脑，来保持自身稳定飞行，接收遥控器发出的信号，并将信号传输给电调来告诉它将如何飞行；电调是飞控的控制信号，其转变成电流的大小，来控制电机的转速。其中包括动力装置、机翼、机身、起落装置尾翼组成。动力装置是在动力装置上，主要用来产生力量，其包括拉力和推力，使模型机前进。其次还可为机身上的其他用储存电量的装置。现在飞机动力装置应用较广泛的有：航空活塞式发動机加螺旋桨推进器、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机和涡轮风扇发动机。除了发动机本身，动力装置还包括一系列保证发动机正常工作的系统。机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼，进行对副翼的操作可以使机身实现滚动操作襟翼可以提升升力，加大升力。在机翼上还可安装核心机，起落时用的架子。在不同用途的飞行机上其机翼形状、大小也各有不同。机身的主要主要用处是能承载东西，其中包括乘客，物品，和一些设备，可以将飞机的其他部件如连接成一个整体。起落装置是飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成，功能是能实现平稳起飞，平稳下降，安全着地和滑翔，地面滑行和停放时支撑飞机。尾翼包括水平和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成，有的高速飞机将水平安定面和升降舵合为一体成为全动平尾。垂直尾翼中包括固定翼尾垂直的和能动性的装置。尾翼的作用是操纵机身的视角和偏俯度，进而能确保机身能平稳地飞行。

【参考文献】

[1]杨晓峰，郑琼林.基于MMC环流模型的通用环流抑制策略[J].中国电机工程学报，2012，32（18）：59-65.