一种无人机纵向控制律平滑切换方法
【专利摘要】本发明公开了一种无人机纵向控制律平滑切换方法，属于无人机飞行控制领域。在控制律切换时刻，通过对新的控制律中的积分器赋初值，确保由新的控制律的首个运行周期解算出的舵偏角指令与由前一组控制律的最后一个运行周期解算出的舵偏角指令相等，实现两组控制律之间的平滑切换。本发明首次对控制回路中的校正网络进行形式变换，分离出隐含的积分器，并对该积分器赋初值。本发明提供的方法仅需一个运行周期即可实现控制律切换，无重复计算，切换效率高，不需通过仿真调整淡入淡出参数，避免了传统的经验试凑。
【专利说明】一种无人机纵向控制律平滑切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无人机飞行控制领域，具体地说是指一种无人机纵向控制律平滑切换 技术。
【背景技术】
[0002] 无人机凭借低成本、高性能的优势，广泛应用于军事及民事领域。与早期无人机相 t匕，现代无人机具有飞行包线更大、需适应的飞行环境更复杂和飞行任务更艰巨等特点，这 必然对飞行控制系统的设计提出更高的要求。
[0003] 飞行控制系统中，通常采用升降舵进行高度控制。升降舵通道的控制律由制导回 路控制律和姿控回路控制律组成，控制结构如图1所示，图中h g、vyg、Θ g分别为高度给定值、 升降速度给定值和俯仰角给定值，h、vy、θ、ωζ分别为高度、升降速度、俯仰角和俯仰角速 度，δ ζ。为升降舵舵偏指令，升降舵舵回路为舵机传递函数。制导回路控制律用于控制无人 机的质心运动，由高度h和升降速度v y反馈构成PID控制。姿控回路控制律用于稳定无人 机的姿态，由俯仰角Θ和俯仰角速度〇^反馈构成ro控制。在进行飞行控制系统的设计 时，若常规的Pi、ro或PID控制无法满足系统的控制需求，通常会引入滞后、超前或滞后超 前校正网络进行串联校正，来提高系统的稳定性能。
[0004] 无人机的运行周期为τ毫秒。在每个运行周期，将给定高度指令与传感器测得的 飞行高度的差作为引导信号，该引导信号通过制导回路控制律解算，得到俯仰角给定指令 Θ g，输出至姿控回路。在姿控回路，俯仰角给定指令再与传感器测得的俯仰角及俯仰角速 度信号通过姿态回路控制律解算，得到升降舵偏转指令S z。，然后将升降舵舵偏指令信号输 出至执行机构，最后实现无人机的高度跟踪控制。
[0005] 整个飞行过程，无人机经历多个飞行阶段，包括起飞、爬升、定高、下降、五边及着 陆滑跑等。在不同的飞行阶段可能采用不同的控制律，这必然面临着两组控制律之间的切 换问题，图2给出了两组控制律之间的切换示意图。在t s时刻之前，无人机在飞行阶段1飞 行，通过运算控制律A得到舵偏角指令δ %= δ zc;1，在％时刻满足飞行阶段切换条件后，无 人机进入飞行阶段2,此时触发器动作将控制律由控制律A切换成适用于飞行阶段2的控制 律B，即在t s+T时刻飞控计算机开始运算控制律B得到舵偏角指令δ %= δ ζ?。由于控制 律之间的切换可能会引起舵面瞬变，进而产生较大的俯仰力矩，姿态变化剧烈，可能使无人 机不可控，因此需采取抑制措施，避免舵面瞬变。
[0006] 目前常用的抑制措施有双模态同步运算瞬变抑制法和单模态运算瞬变抑制法。双 模态同步运算瞬变抑制法的思想是，假设C(t)为控制律总的输出，A(t)、B(t)为控制律Α、 B的输出，在ts时刻，由控制律A切换到控制律B，则
[0007]
【权利要求】
1. 一种无人机纵向控制律平滑切换方法，针对制导回路控制律中有校正网络，姿控回 路控制律中有校正网络的情况，包括以下几个步骤 ： 步骤一：将校正网络变换成新的表达形式，分离出隐含的积分器； 校正网络f
和校正网络'
分别属于制导回路和姿态回路，其中S为拉普拉斯 算子，a、b、c、d、&1、V Cl、屯为校正网络的系数，将上述两个校正网络变换成以下形式： 1) 制导回路中的校正网络：
令
将Φ (s)视为单位反馈闭环传递函数，则其开环传递函数为
2) 姿态回路中的校正网络：
将视为单位反馈闭环传递函数，则其开环传递函数为
步骤二：定义积分器初值变量和中间变量； 1) 定义积分器的初值变量 (1) 制导回路PID控制器的积分器的初值变量为X(l ; (2) 制导回路中校正网络的积分器的初值变量为Xl ; (3) 姿控回路中校正网络的积分器的初值变量为x2 ; 2) 定义中间变量 (1)制导回路中校正网络的输入信号为xinl ; (2) 姿控回路中校正网络的输入信号为xin2 ; (3) 姿控回路的输入信号为Θ g ; (4) 升降舵舵回路的输入信号为δζ?; 步骤三：计算积分器初值； 控制律在ts时刻进行切换，已知由前一组控制律在ts时刻解算出的升降舵舵偏指令 为通过对新的控制律中的积分器赋初值X(l、Xl、x2，使得由新的控制律在％+1时刻解 算出的升降舵舵偏指令S zc;h等于δ _ ; 以下按照由内到外的顺序分别计算积分器初值χ2、Χι、: 1) 姿控回路 在控制律切换时刻，使得以下等式成立：
则姿控回路中校正网络的输入值xin2和积分器的初值χ2分别为
由于
其中0为俯仰角，《2为俯仰角速度，1^为俯仰角反馈增益系数^为俯仰角速度反 馈增益系数， 则姿控回路的俯仰角给定值Θ g为
2) 制导回路 在控制律切换时刻，使得以下等式成立：
则制导回路校正网络的输入值xinl和积分器的初值Xl分别为
由于 Xini = kp · (hg-h) +x〇+kd · (vyg-vy) 其中hg为高度给定指令，h为高度，vyg为升降速度给定指令，vy为升降速度，k p为高度 反馈增益系数，kd为升降速度反馈增益系数， 则PID控制器中积分器的初值X。为
所以积分器初值X〇、Xi、x2的表达式分别为
步骤四：将步骤三中计算的积分器初值X(l、Xl、x2代入需要切换的控制律中的积分器， 最终实现两组纵向控制律之间的平稳切换。
【文档编号】G05D1/08GK104252133SQ201410367550
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】郝现伟, 贾志强, 赵志芳, 王勇, 刘茜筠 申请人:北京航空航天大学