飞翼布局无人机鲁棒滑模非线性飞行控制研究

发布时间：2018-07-07 09:06

本文选题：飞翼布局无人机 + 滑模变结构　；参考：《西北工业大学》2015年博士论文

【摘要】：飞翼布局无人机在气动力效率、隐身性能、续航时间和载荷分布等方面具有独特的优势,是远程长航时隐身轰炸机、无人作战飞机、高空长航时无人机等飞行器的理想布局型式。飞翼布局无人机的动力学模型具有非线性、强耦合、快时变、多输入多输出等特点,且由于没有平尾和垂尾等部件,飞翼布局无人机的稳定性存在很多的不足,存在纵向稳定性弱、航向中性稳定以及横航向运动耦合强等问题,而飞翼布局无人机主要用途是在高亚音速下执行侦察、轰炸或运输等一些任务,对航迹稳定和姿态控制的准确性要求比较高。因此,研究具有良好鲁棒性的先进飞行控制系统是飞翼布局无人机研制的关键技术。本文针对这一问题,以传统滑模变结构控制理论和二阶滑模控制理论为主线,同时结合自适应控制、分数阶理论、预设性能、反步控制、鲁棒控制、自抗扰控制等先进控制方法,对存在未建模动态及外部扰动等复合干扰的飞翼布局无人机姿态控制与着陆控制问题进行了深入的研究。主要的研究成果如下所述:1.建立了包括地面效应以及舵面附加气动力且含有风影响的飞翼布局无人机六自由度非线性动力学模型,对飞翼布局无人机的舵面特性进行了分析。2.针对存在气动参数不确定的飞翼布局无人机姿态控制问题,提出了自适应二阶终端滑模姿态控制方法,采用自适应算法在线调整切换增益抑制气动参数不确定对控制系统性能的影响,同时由于二阶终端滑模控制的采用,符号函数被隐藏在积分项中,通过积分得到了连续的控制律,有效抑制了姿态控制系统的抖振。3.围绕具有未建模动态及外部扰动等复合干扰的飞翼布局无人机姿态运动方程,结合滑模变结构控制理论与分数阶理论,提出了一种基于双幂次趋近律和super twisting二阶滑模干扰观测器的分数阶积分滑模姿态控制方法,采用分数阶积分对过去逐渐遗忘的性质设计了分数阶积分滑模面,随着时间的推移,姿态角初始误差的积分权重会逐渐减小,相比常规的积分滑模面,显著的减小了姿态控制的超调现象。由于传统滑模趋近律具有收敛时间长和抖振严重等缺点,提出了一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律,通过Lyapunov函数证明了存在干扰时,系统状态收敛到滑模面的邻域范围。同时设计了super twisting二阶滑模干扰观测器实现对复合干扰的实时连续估计和补偿,仿真表明飞翼布局无人机姿态控制系统的抗干扰能力良好。4.为了合理设计姿态跟踪的收敛过程、超调量及稳态误差,结合预设性能理论与反步滑模控制,提出了一种基于快速super twisting干扰观测器的预设性能反步滑模姿态跟踪控制方法。利用预设性能理论,建立了姿态控制系统预设性能等效误差模型。鉴于super twisting二阶滑模控制算法在系统状态距离平衡点比较远时收敛速度比较慢的问题,提出一种快速super twisting二阶滑模算法改善了常规super twisting算法的收敛速度,基于此算法设计了干扰观测器估计与补偿姿态反步控制各子系统的复合干扰,数值仿真验证了飞翼布局无人机的姿态超调、稳态跟踪精确、收敛速度,都满足了预先设定的瞬态和稳态性能要求。5.对于受到地面效应与风场扰动影响的飞翼布局无人机纵向自动着陆控制问题,提出了一种基于扩张状态观测器的反步滑模L2增益纵向自动着陆控制方法。针对传统反步控制虚拟控制量导数难以获取的问题,采用跟踪微分器对反步控制每一步的虚拟控制量求导,同时设计了扩张状态观测器估计与补偿反步控制子系统的复合干扰。在此基础上,增加了L2增益鲁棒项以抑制观测器干扰估计误差和跟踪微分器微分误差的影响,进一步的提高反步滑模控制器的鲁棒性。在存在地面效应与风场干扰的情况下,飞翼布局无人机高度、空速都跟踪了控制指令,垂直接地速度在允许的范围内,具有良好的着陆控制性能。6.针对存在地面效应与风场干扰的飞翼布局无人机自动着陆控制问题,提出了一种基于扩张状态观测器的抗干扰滑模自动着陆控制方法,通过时标分离,将着陆控制系统分为位置回路、空速方位角倾斜角回路、姿态角回路与角速率回路分别进行设计,采用扩张状态观测器估计与补偿由地面效应、风场扰动等导致的复合干扰,同时设计了基于fal函数的滑模趋近律。仿真结果表明,在存在地面效应与风场扰动等复合干扰影响的情况下,飞翼布局无人机的着陆控制性能良好。
[Abstract]:This paper studies the attitude control and landing control problem of flying wing layout unmanned aerial vehicle ( UAV ) based on double power approach law and super elliptic second order sliding mode interference observer , and proposes an adaptive second order terminal sliding mode attitude control method . This paper presents an anti - interference sliding mode automatic landing control method based on expansion state observer .
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279;V249.1

【参考文献】