基于控制器切換的艦載機(jī)自動(dòng)著艦縱向控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于常規(guī)工程控制器（PID控制器）和最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制器切換 的艦載機(jī)自動(dòng)著艦縱向控制方法，尤其涉及一種著艦下滑道軌跡跟蹤控制與甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償 控制方法，屬于飛行控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 艦載機(jī)能否安全、精確地著艦是航空母艦/艦載機(jī)武器作戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之 一。而艦載機(jī)自動(dòng)著艦過(guò)程中，下滑道軌跡信息是提前已知的，為了提高艦載機(jī)著艦的安全 性，運(yùn)用已知的下滑道軌跡信息對(duì)艦載機(jī)自動(dòng)著艦控制具有重要的工程價(jià)值。
[0003]艦載機(jī)著艦一般采用下滑道軌跡跟蹤著艦。所謂下滑道軌跡跟蹤著艦（艦載機(jī)等 角下滑），是在進(jìn)艦著艦的最后階段，艦載機(jī)截獲合適的下滑道軌跡后，一直保持相同的下 滑軌跡角、俯仰角、速度和下沉率，直至艦載機(jī)與航母飛行甲板碰撞，實(shí)現(xiàn)撞擊式著艦。由于 甲板運(yùn)動(dòng)的影響，艦載機(jī)自動(dòng)著艦全過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，一是下滑道軌跡跟蹤階段，二 是甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段。艦載機(jī)一般在著艦前12. 5s將甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估信息加入自動(dòng)著艦控制 系統(tǒng)中，讓艦載機(jī)在跟蹤下滑軌跡的過(guò)程中同時(shí)跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)。實(shí)際甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段，常 規(guī)工程控制器（PID控制器）很難使艦載機(jī)在最后的著艦階段完全跟蹤甲板運(yùn)動(dòng)，從而降 低著艦成功率。因此，在甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段，如果采用能夠利用甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估信息的控制方 法，則有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)甲板運(yùn)動(dòng)的跟蹤，從而提高著艦性能。
[0004] 目前，針對(duì)艦載機(jī)自動(dòng)著艦的研宄，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研宄的重點(diǎn)都是在僅考慮下滑道 和甲板運(yùn)動(dòng)的當(dāng)前信息來(lái)設(shè)計(jì)控制律。而艦載機(jī)在下滑過(guò)程中下滑道軌跡信息以及甲板 運(yùn)動(dòng)信息均為可預(yù)見(jiàn)信息，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者沒(méi)有利用這些可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)信息對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行控 制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于常規(guī)工程控制（PID控制）與最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控 制切換的艦載機(jī)自動(dòng)著艦縱向控制方法，在下滑道軌跡跟蹤階段，縱向控制器采用常規(guī)工 程控制（PID控制）方法，在甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段，即著艦前約％秒（工程上一般取12.5秒） 時(shí)縱向控制器切換到最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制，利用下滑道軌跡以及縱向甲板運(yùn)動(dòng)的未來(lái)信息對(duì) 艦載機(jī)進(jìn)行精確軌跡跟蹤控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)下滑道高度的跟蹤及縱向甲板運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償。而 且，利用未來(lái)信息進(jìn)行前饋控制，可以提前對(duì)艦載機(jī)的舵面和油門(mén)實(shí)施平均操作以達(dá)到跟 蹤補(bǔ)償目的，減小瞬時(shí)的能量，并且加快響應(yīng)速度，確保艦載機(jī)能在航母上安全著艦。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于控制器切換的艦載機(jī)自動(dòng)著艦縱向控制器，包括常規(guī) 工程控制模塊、最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊、控制器切換模塊；所述常規(guī)工程控制模塊采用下滑 道軌跡跟蹤著艦，用于下滑道軌跡跟蹤階段；所述最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊利用下滑道軌跡 以及縱向甲板運(yùn)動(dòng)的未來(lái)信息對(duì)艦載機(jī)進(jìn)行軌跡跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)下滑道高度的跟蹤及縱 向甲板運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償，用于甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段；所述控制器切換模塊在著艦前&秒時(shí)，將控制 器從常規(guī)工程控制模塊切換到最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊；所述控制器切換模塊的縱向控制切 換律為：
[0007]
[0008] 式中：ST為油門(mén)開(kāi)度反饋值，S6為升降舵偏角反饋值，STPID表示采用常規(guī)工程 控制模塊計(jì)算得到的油門(mén)開(kāi)度，S/ID表示采用常規(guī)工程控制模塊計(jì)算得到的升降舵偏角，STrc表示采用最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊計(jì)算得到的油門(mén)開(kāi)度，S 表示最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模 塊計(jì)算得到的升降舵偏角，t為從著艦開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)間變量，tf為設(shè)定的控制器切換時(shí)間， 也就是開(kāi)始進(jìn)入甲板運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償階段的時(shí)間，T為預(yù)定的著艦過(guò)程總時(shí)間。
[0009] 進(jìn)一步的，所述最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊的自動(dòng)著艦縱向控制律的計(jì)算方法如下：
[0010] 對(duì)艦載機(jī)全量非線性模型進(jìn)行配平和線性化處理，得到縱向狀態(tài)模型，經(jīng)過(guò)離散 化處理得到離散時(shí)間狀態(tài)模型：
[0011]AX(k+1) =AAX(k)+BAU(k)
[0012] Ay(k) =CAx(k)
[0013]式中：x= [h,V，a，q, 0 ]T-狀態(tài)向量，y=h-輸出向量，u= [ST, SJ-控制輸 入向量，r -目標(biāo)值向量，』一狀態(tài)系數(shù)矩陣，一控制系數(shù)矩陣，CeK- 一輸出系數(shù)矩陣，△表示與平衡狀態(tài)量的偏量；其中，h為飛行高度反饋值，V為飛行速度反 饋值，a為迎角反饋值，q為俯仰角速率反饋值，0為俯仰角反饋值，STS油門(mén)開(kāi)度反饋 值，\為升降舵偏角反饋值；
[0014] 下滑道軌跡跟蹤誤差信號(hào)定義為：
[0015]her(k) = [hc(k)+hd(k)]_h(k)
[0016] 式中：h。為預(yù)定下滑道高度指令，hd為甲板理想著艦點(diǎn)高度預(yù)估值；
[0017] 將下滑道軌跡跟蹤誤差信號(hào)的一階差分值與狀態(tài)向量x的一階差分值作為新 的狀態(tài)變量，得到如下誤差系統(tǒng)：
[0020] 進(jìn)一步改寫(xiě)為[0021][0022]
[0018]
[0019]
4為單位陣；[0024] 已知當(dāng)前k時(shí)刻直到未來(lái)N步的目標(biāo)值，定義誤差系統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)為如下包含跟
[0023] 蹤誤差項(xiàng)和控制增量輸入項(xiàng)的二次型：
[0025]
[0026] 其中，e:、》m-半正定權(quán)重矩陣，及-1 -正定權(quán)重矩陣；
[0027] 由此最優(yōu)化求解方法，計(jì)算得到基于最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制的自動(dòng)著艦縱向控制律：
[0028]
[0029]
[0030] 式中，sTrc表示采用最優(yōu)預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊計(jì)算得到的油門(mén)開(kāi)度，S，表示最優(yōu) 預(yù)見(jiàn)伺服控制模塊計(jì)算得到的升降舵偏角，^為狀態(tài)反饋控制矩陣，F(xiàn)h。為未來(lái)信息前饋控 制矩陣，I、￡為中間變量，hd為甲板運(yùn)動(dòng)預(yù)估模塊得到的理想著艦點(diǎn)高度預(yù)估值。
[0031] 進(jìn)一步的，所述常規(guī)工程控制模塊包括俯仰高度控制器、姿態(tài)控制器和動(dòng)力補(bǔ)償 控制器；其中：
[0032] 高度控制律為：
[0033]
[0034] 式中，0。為俯仰角反饋值，h。為預(yù)定下滑道高度指令，h為飛行高度反饋值，s為 傳遞函數(shù)算子T、K、<為高度控制器參數(shù)，A表示與平衡狀態(tài)的偏量；
[0035] 俯仰姿態(tài)控制律為：
[0036] 5ePID= 5 e_trim+A 5 e?= 5e_trim_KqA q+K 0(A 0c~A 0)
[0037] 式中，s/ID表示采用常規(guī)工程控制模塊計(jì)算得到的升降舵偏角，Kq、1(0為俯仰姿 態(tài)控制器參數(shù)，\ 為平衡狀態(tài)向量中的升降舵偏角，q為俯仰角速率反饋值；
[0038] 動(dòng)力補(bǔ)償控制律為：
[0039]
[0040] 式中，^，表示采用常規(guī)工程控制模塊計(jì)算得到的油門(mén)開(kāi)度，a為迎角反饋值， \為法向加速度反饋值，S6為升降舵偏角反饋值，&、億和！\為相應(yīng)傳感器濾波時(shí)間常 數(shù)，1、1 1、匕及夂為油門(mén)控制器參數(shù)，8^^]為平衡狀態(tài)向量中的油門(mén)開(kāi)度。
[0041] 進(jìn)一步的，所述心為12. 5秒。
[0042] 本發(fā)明還提供一種基于控制器切換的艦載機(jī)自動(dòng)著艦縱向控制方法，具體步驟如 下：
[0043] 第一步：艦載機(jī)開(kāi)始著艦，進(jìn)入下滑道軌跡跟蹤階段，自動(dòng)著艦縱向控制器采用常 規(guī)工程控制模塊進(jìn)行控制，所述常規(guī)工程控制模塊采用下滑道軌跡跟蹤著艦，用于下滑道 軌跡跟蹤階段；
[0044] 第二步：在觸艦前&秒時(shí)，自動(dòng)著艦縱向控制器接收到甲