基于气动特性辨识的飞行器抗饱和自适应控制

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1、航空学报ActaAeronaulicaetAstronauticaSinicaDec，252013Vol，34No．122645．2657ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaaedu，en基于气动特性辨识的飞行器抗饱和自适应控制王超，张胜修*，郑建飞，张超第二炮兵工程大学自动控制工程系，陕西西安710025摘要：针对无人机含有未知气动参数时的大机动飞行控制问题，设计了基于在线气动参数辨识的自适应非线性模型预测控制(ANMPC)的飞行控制器。首先，根据无人机动力学模型设计出基

2、于反馈线性化模型的非线性模型预测控制(NMPC)的飞行控制器，通过在线求解有约束的最优化问题，确保大机动飞行时系统状态及控制输入满足约束条件．使控制系统具备抗饱和性能。然后，将无人机动力学模型中的未知气动参数转换为待辨识参数矩阵，采用基于迭代扩展卡尔曼滤波(IEKF)与渐消记忆最小二乘(RI。s)的气动特性辨识两步方法，实时辨识无人机气动参数，更新非线性模型预测控制律所用模型，消除模型误差，增强非线性模型预测控制器的鲁棒性。最后，对指令姿态角跟踪进行了仿真验证，仿真结果表明：在考虑外界未知气动扰动情况下，控制器满足设计要求，并具有较强的鲁棒性

3、。关键词：飞行控制；气动扰动；气动特性辨识；自适应控制；非线性模型预测控制；反馈线性化中图分类号：V249．12文献标识码：A文章编号：lOoO6893(2013)12—2645—13在未来的军用无人机使用中，为了充分提高作战效能，往往需要在极大的空域进行大机动飞行。随着机动性能的提升，飞行器在飞行过程中姿态或速度将发生较大幅度变化，容易使舵机偏角等控制输入，以及角度、角速度等系统状态进入饱和状态。若不采取抗饱和措施，将造成系统性能退化。由于抗饱和的要求，其飞行器控制系统必须满足严格的输入约束以及状态约束。随着飞行包线的增大，飞行器气动参数将

4、出现大范围的变化，由于地面风洞试验或气动计算预先估计的气动特性往往与实际飞行中的气动特性有差异，造成实际模型与设计飞行控制器时所采用的被控模型之间差异增大，使基于名义模型设计的控制系统控制性能恶化。由于处理模型不确定性的要求，其飞行器控制系统还必须具备强鲁棒性。目前常用的非线性飞行控制方法，如动态逆控制[1j、变结构控制[2]和自适应反步法∞]虽具有较强的鲁棒性，但是容易造成输入超限．没有系统地解决多约束问题，影响高机动时的控制性能。自适应非线性模型预测控制(AdaptiveNonlinearModelPredictiveContr01，AN

5、MPC)为解决以上不足提供了一种方法。辨识器集中考虑鲁棒性，非线性模型预测控制(NMPC)能直接显式地考虑系统的非线性，控制输入约束和状态约束，侧重于抗饱和与动态特性。以比较准确的模型为基础，可以实现NMPC大范围的高精度控制。其应用领域也迅速扩展到包括航空、航天和飞行器控制在内的军事领域，并取得了大量的研究成果H?]。其中：方炜和姜长生提出了一种基于自适应模糊系统的预测控制方法，并用其设计了空天飞行器高超声速飞行姿态的非线性鲁棒预测控制律n]；Mehra等将NMPC应用于海军灵敏拦截导弹自收稿日期：2013．01．11；退修日期：2013．

6、02—22；录用日期：2013-04—13；网络出版时间：2013—05—1408：33网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／detaII／111929V201305140833001．htmI基金项目：国家自然科学基金(61203354)*通讯作者Tel：029—84741963E—mail：zsxl963@aliyuncom蓟用格武：wangC，zhangSX。zhengJF．eta

7、．Anti—wlndupadapt

8、vec。ntro

9、ofaircranbasedon∞

10、ineident{f}cal}onofaerodylla

11、m÷ccha卜acteristicSActaAeronau{icaetAstronauticas{n

12、ca，2013，34(12)：2645·2657I超．张胜修．郑建飞，等基f气动特性辨识的飞行器抗饱和自适应控翻航空学报．2013，34(12)：2645．2657航空学报Dec．252013VOl34No12动驾驶仪设计，并由蒙特卡罗仿真，演示了其对于较小气动参数不确定性的鲁棒性‘j1；Akpan[61与Shin口1等分别采用神经网络和支持向量机辨识飞行器模型，并基于辨识模型设计了ANMPC控制器，仿真结果均表明ANMPC具有较好的控制效果

13、，同时具有较强的鲁棒性。基于此，本文针对无人机模型存在未知气动参数时的大机动飞行控制问题，设计了带有在线气动参数辨识的自适应非线性预测控制器，实现了机动飞行中气动特