飞行器导航、制导与控制-11飞行器控制律设计

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1、飞行器控制律设计李平、方舟08.10.161位置与姿态导航与姿态传感器期望位置姿态+-偏差信号动态飞行模型与控制算法飞行器气动力与推力控制信号舵面与发动机飞行控制器环境与负载扰动实测位置姿态飞行器导航、制导与控制系统构成什么是飞行器的控制律2什么是飞行器控制律飞行器控制律一般也称为飞行控制算法。飞行控制原理：根据飞行器的姿态、位置误差，经过控制率（控制算法）运算，产生控制命令驱动执行机构（发动机、舵面）动作，最终减小或消除误差，达到期望的飞行状态。控制律是飞行控制系统的核心构件。也是设计者较为容易掌控的软构件。3飞行器控制律的作用与意义获得正确控制命令的必要前提。能够补偿动力学模型的误

2、差。能够补偿测量环节的误差。能够调节飞行控制系统品质。4飞行器控制律的设计依据（1）最简单的思考：飞行器飞行动力学模型的反向计算（逆模型）。飞行动力学模型（正模型）飞行器动力学过程推力舵面输入U(S)姿态位置输出Y(S)动力学模型G(S)=Y(S)/U(S)已知U(S)，可算出Y(S)飞行器控制率（逆模型）已知Y(S)，要求出U(S)如果逆模型G(S)-1存在，可得到U(S)=G(S)-1Y(S)5基于模型的飞行器控制律设计逆模型控制率设计实际上受到很多限制。但基于模型的设计是任何自动控制系统控制率设计的基本原则。这也是自动控制系统设计的第一步必然是求取（建立）被控制对象的数学模型（动

3、力学模型）的根本原因。模糊控制等智能控制算法实质上也离不开被控制对象的模型，只是模型的形式不一定是传统的数学公式表达而已。6飞行器控制律的设计依据（2）飞行器的飞行品质要求（品质规范）根据飞行规范可得到相应的飞行控制系统性能指标，包括：稳定性指标控制精度指标响应速度（机动性）指标抗干扰性指标能耗指标可靠性指标实时性指标……7飞行器控制律设计面临的问题飞行器的动力学过程严重非线性；飞行器动力学模型无法与真实过程完全匹配（未建模动态）；飞行器多控制回路（多输入多输出控制、多变量控制）相互关联（耦合）严重；飞行环境变化大，外界干扰严重；飞行品质要求越来越高。8控制律设计方法综述—控制理论的发

4、展经典控制理论设计方法19世纪中叶至20世纪50年代初现代控制理论设计方法20世纪50年代末至80年代先进控制技术设计方法20世纪90年代至今9经典控制理论适用于单输入、单输出（单变量）系统的简单控制系统基于频域模型将描述动态系统的微分方程模型经过拉普拉斯积分变换转换为传递函数模型基于解析和图形方法的简单计算主要进行稳定性分析最具代表性的控制算法——PID(比例/积分/微分)控制在模拟电路自动化装置基础上实现10现代控制理论面向多输入、多输出（多变量）系统基于状态空间方法直接用微分方程描述的状态空间模型解析方法与数值计算相结合稳定性、可控可观性分析代表性方法：卡尔曼滤波、状态观测器、二

5、次型最优控制、多变量解耦控制等主要由数字计算机控制系统实现11先进控制技术控制系统的复杂程度不断增加建模困难（模型不确定性）、非线性、大滞后、缺乏检测手段……对控制系统性能要求的不断提高自适应、鲁棒性、自组织、容错性……经典控制与现代控制理论的融合数学工具应用的深化和拓展与信息科学和其他相关学科的结合智能控制、模式识别、网络技术……代表性方法：鲁棒控制、自适应控制、预测控制、模糊控制……12飞行器控制律经典设计方法（1）在我国航空工程界，到目前为止，大多数战斗机的控制系统都是采用经典频域或根轨迹法设计的，包括零/极点配置设计，主要是PID控制。方法简单实用，设计过程透明，工程设计人员可

6、清晰地看到系统的动态和性能是如何被修改的。现行的飞行品质要求大多数是根据经典控制理论提出的，设计依据充分，设计人员凭借自身丰富的设计经验，通过使用多模态控制律以及调参技术等，最终可以设计出性能较为完善的飞行控制系统。13飞行器控制律经典设计方法（2）存在的问题：随着控制系统的性能要求越来越复杂,用经典设计方法设计控制律就变得非常困难,设计进度缓慢,甚至变得不可实现。主要原因：经典方法难以处理、协调系统的多变量输入输出特性;现代战斗机都要求具有大机动飞行性能,但飞机非线性特性无法用经典线性化方法处理。必须寻找能够满足越来越复杂的飞行控制系统要求的现代线性或非线性设计方法。14现代飞行控制

7、系统设计方法（1）由于经典控制设计方法的不足，使得基于状态变量模型设计的现代控制理论方法在飞控系统的设计上得到长足的发展。其中，二次型最优控制技术是现代控制理论线性化设计控制器最为成功的技术之一。最优控制设计方法在军机上的应用最早是在F-8C主动控制技术验证机上，该机的全部纵向及横侧向控制律设计均采用了显模型跟踪最优二次型方法。经过实际试飞验证表明,飞机具有优良的飞行品质。15最优二次型控制原理：采用一个数学上准确的性能指标来描述系统的性能规范