一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法

一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种舰载机自动着舰控制方法，尤其设及一种基于鲁椿预见控制的舰 载机自动着舰控制方法。
【背景技术】
[0002] 舰载机自动着舰控制系统的基本原理为航空母舰上的跟踪雷达测出舰载机的实 际位置，同时由甲板运动传感器测量航空母舰飞行甲板的运动情况，通过预估方法计算舰 载机所处的理想位置，将舰载机的理想位置和实际位置输入指令计算机，进行比较得到误 差信号，根据误差信号经由引导控制律计算得到舰载机的控制指令，再由无线电数据链发 送给舰载机，舰载机上的自动驾驶仪根据接收装置收到的误差信号，操纵舰载机消除误差， 在预定位置安全着舰。周蠢等人公开的《舰载机着舰纵向甲板运动预估及补偿技术》（2013 年10月，南京航空航天大学学报，第45卷第5期）中，记载了基于粒子滤波算法设计甲板 运动预估器进行甲板运动状态预估的方法，得到甲板运动状态变量Xk在未来T时刻的最 优估计值的表达式为;化# =。林+m，雌Alt。
[0003] 舰载机着舰一般采用下滑道跟踪着舰。所谓下滑道跟踪着舰（舰载机等角下滑）， 是在进舰着舰的最后阶段，舰载机截获合适的下滑道后，一直保持相同的下滑轨迹角、俯仰 角、速度和下沉率，直至舰载机与航母飞行甲板碰撞，实现撞击式着舰。由于甲板运动的影 响，舰载机下滑道跟踪着舰全过程可W分为两个阶段，一是下滑道跟踪阶段，二是甲板运动 补偿阶段。舰载机一般在着舰前12. 5s将甲板运动加入自动着舰控制系统中，让舰载机在 跟踪下滑着舰的过程中同时跟踪甲板运动。实际下滑跟踪阶段，传统的PID控制器很难使 舰载机快速地跟踪下滑道轨迹；实际甲板补偿阶段，传统的PID控制器很难使舰载机在最 后的着舰阶段完全跟踪甲板运动，从而使着舰成功率低。因此，舰载机自动着舰控制方法 设计对于舰载机在航母上安全着舰尤为重要，直接关系到舰载机自动着舰的成功率和安全 性。

【发明内容】

[0004] 发明目的；针对上述现有技术，提供一种基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰控 制方法，实现舰载机进入下滑阶段后沿下滑道轨迹跟踪着舰，能够有效抑制和消除侧向偏 移，使舰载机保持侧向稳定，并在着舰前实现甲板运动预估与补偿。
[0005] 技术方案：一种基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰控制方法，包括甲板运动预 估模块、纵向控制律模块和横侧向控制律模块；首先将甲板运动送入甲板运动预估模块得 至IJ甲板运动预估信息，并在着舰前将甲板运动预估信息引入舰载机自动着舰控制系统；其 中，所述甲板运动预估模块的计算方法如下：
[0006] 对于已知传递函数的甲板运动，采用粒子滤波器算法设计预估器，用于预 估T时刻的甲板运动信息，得到甲板运动在未来T时刻的最优估计值的表达式为 =?快+ "a);举；其中巫化+m，k)为状态转移矩阵，k为时间，m=T化，T为系统采 样时间，状态转移巧
A为甲板运动传递函数所对应的系数空间矩 阵，看I*为甲板运动k时刻状态估计值；根据所述衣+"|*，分别得到T时刻甲板纵向运动预估 信息Ahd和甲板横侧向运动预估信息Ayd;
[0007] 所述纵向控制律模块的计算方法如下：
[0008] 飞机的纵向离散化模型E1。。为：
[0009]
(1)
[0010]其中，纵向状态变量矩阵AxbiDn= [AVAaAqAq]T，AV为速度反馈量与配 平值之差，Aa为迎角反馈量与配平值之差，Aq为俯仰角速率反馈量与配平值之差，Aq 为俯仰角反馈量与配平值之差；Aubi。。为纵向控制输入量矩阵，Aubi""=[A5。A5t] T，A8。为升降驼偏角增量，A5T为油口增量；Ah为实际飞行高度值；Arin为可预见的 理想下滑高度；AXp为可预见的理想下滑高度的信息存储值；Ah为实际飞行高度反馈 量与理想下滑高度之差；在采样时间为L，理想下滑高度的可预见时间tp时，可预见步数N =tp化;Abl。。、Bbl。。、A。bl。。为飞机的纵向状态空间矩阵；Ap、Bp、Cp为N步延时器的状态空间系 数；式（1)中的Arin(k) =AMhN)是k时刻的理想下滑高度的N步预见值，Ah。理想 下滑局度，AXp似表不为；
[0011]
(2)
[0012] 纵向控制律模块采用全信息鲁椿预见控制方法设计控制器，全信息鲁椿预见控制 器由反馈控制分量和前馈控制分量两部分组成；在下滑道跟踪阶段，将实际飞行高度反馈 量与理想下滑高度之差Ah。,及纵向状态变量误差AXbi。。送入反馈控制分量，将可预见的 理想下滑高度Arin和可预见的理想下滑高度的信息存储值AXp送入前馈控制分量，实现 下滑道高度跟踪，其控制律为：
[0013] (3)
[0014] 式中，Fbi。。为纵向状态变量误差参数矩阵，Fd。。为高度误差参数矩阵，Fpi。。为N步 理想下滑高度预见信息参数矩阵，Ffi。。为第N步理想下滑高度预见信息参数矩阵；
[0015] 在甲板运动补偿阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差Ah。,、纵向状 态变量误差AXbi。。及甲板纵向运动预估信息Ahd送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑 高度Arin和甲板纵向运动预估信息Ahd送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪及甲板 浮沉运动补偿，其控制律为：
[0016]
[0017]其中，Fpi。。^)为所述Fpi。。中的第（j+1)项；矩阵Fbl。。，F。l。。，Fpl。。，Frl。。的计算公式 如下：
[0018]
[0019]式中，
，Wi为纵向全信息鲁椿预见控 制律输出权重，W,为纵向全信息鲁椿预见控制律输入权重，Fgi。。为纵向状态变量反馈系数矩 阵，j为中间变量，Z为整数集合，友、S、Aw均为中间变量系数矩阵，Xgg是式做的离散代 数化ccati方程的稳态解；
[0020]
(6)
[0021] 当系统满足W下S个约束条件时，且使得控制性能指标Ji。。最小化的纵向控制输 入量矩阵AUbi。。为目标控制信号；其中，所述控制性能指标Ji。。为：
[0022]
(7)
[0023] 所述约束条件为：
[0024] (1)(Agi。。BgiJ是稳定的；
[00巧]似胖2'胖2〉0;
[0026]
满秩；
[0027] 其中，X为中间变量；
[0028] 所述的横侧向控制律模块的计算方法如下；
[0029] 飞机的横侧向离散化模型E1。为：
[0030]
(8)
[0031] 其中，横侧向状态变量矩阵Axbiat=[AbApArAd)A1])]T，Ab为侧滑 角反馈量与配平值之差，Ap为滚转角速率反馈量与配平值之差，Ar为偏航角速率反馈 量与配平值之差，A4为滚转角反馈量与配平值之差，A1])为偏航角反馈量与配平值之 差；AUblat为横侧向控制输入量矩阵，AUblat=[A5。A5JT，A5a为副翼偏角增量，Ast为方向驼偏角增量；Ay为实际侧偏距；AyJ%实际侧偏距反馈量与配平值之差； Abht、Bbht、Aebht为飞机的横侧向状态空间矩阵；
[0032] 横侧向控制律模块采用全信息鲁椿预见控制方法设计控制器，在下滑道跟踪阶 段，将横侧向状态变量误差AXbht和实际侧偏距反馈量与配平值之差Ayjt入反馈控制 分量来控制舰载机的横侧向运动，使舰载机保持零侧偏距和侧向稳定，其控制律为：
[0033]
(9)
[0034] 式中，Fbia为横侧向状态变量反馈系数矩阵，Feiat为侧偏距误差反馈系数矩阵；
[0035] 在甲板运动补偿阶段，将实际侧偏距反馈量与配平值之差Ay。,、横侧向状态量误 差AXbht及甲板横侧向运动预估信息Ayd送入反馈控制分量，将甲板横侧向运动预估信息 Ayd送入前馈控制分量，实现零侧偏距及横侧向甲板运动跟踪补偿，其控制律为：
[0036]
(10)
[0037] 式中，Fpht为N步侧偏距预见信息参数矩阵，Fflat为第N步侧偏距预见信息参数矩 阵；矩阵Fbi。。FeiwFpi。。Frht的计算公式如下：
[0038]
(11)
[00測其中，
，Cgiat= [0 1]，胖3为横侧向全信息鲁椿预见控 制律输出权重，W4为横侧向全信息鲁椿预见控制律输入权重；Fght为横侧向反馈系数矩阵； 馬、Sg、Acgg均为中间变量系数矩阵；Xg是式（12)的离散代数化ccati方程的稳态解；
[0040] Xg = Aht'XgA曲,-Fg,",%F如,+ Cg,",'W,'W知。, (12)
[00川当系统满足^下立个约束条件时，且使得控制性能指标Jht最小化的横向控制输 入量矩阵AUbht为目标控制信号；其中，所述控制性能指标Jht为：
[004引
（。）
[0043] 所述约束条件为：
[0044] (1)(AgiatBgiat)是稳定的；
[004引 似胖4'胖4〉0;
[0046]
满秩；
[0047] 其中，X为中间变量。
[0048] 有益效果；针对上述问题，本发明的一种基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰控 制方法，从而利用下滑道轨迹W及纵向甲板运动的未来信息和现在 的信息对舰载机进行预 见控制，从而实现对下滑道高度的跟踪及纵向甲板运动的补偿，同时能够有效抑制和消除 侧向偏移，使舰载机保持侧向稳定。其中利用未来信息进行前馈控制，利用当前信息进行反 馈控制，可W提前对舰载机的驼面和油口实施平均操作W达到跟踪补偿目的，减小瞬时的 能量，并且加快响应速度，确保舰载机能在航母上安全着舰。
【附图说明】
[0049] 图1为本发明所述的基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰控制方法组成结构图；
[0050] 图2为本发明所述纵向甲板运动及其基于粒子滤波器预估的曲线；
[0051] 图3为本发明所述的基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰下滑道高度跟踪曲线；
[0052] 图4为本发明所述的基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰消除侦U偏距仿真曲线；
[0053] 图5为本发明所述的基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰纵向甲板运动跟踪补 偿曲线。
【具体实施方式】
[0054] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0055] 为了便于公众了解本发明的技术方案，用下表1将本发明设及的物理量及参数进 行说明：
[0056] 表 1
[0057]
[0058]

[0059] 如图1所示，一种基于鲁椿预见控制的舰载机自动着舰控制方法包括甲板运动预 估模块、纵向控制律模块和横侧向控制律模块。首先将甲板运动送入甲板运动预估模块得 到甲板运动预估信息，并在着舰前12. 5秒将甲板运动预估信息引入舰载机自动着舰控制 系统。其中，甲板运动预估模块的计算方法如下：
[0060] 对于已知传递函数表达形式的甲板运动，采用粒子滤波器算法设计预估器。首先 由传递函数得到甲板运动的状态空间方程：
[0061]
(1)
[0062] 式中，X为甲板运动状态变量；《为甲板运动系统动态噪声；Z为观测信号；U为 观测噪声。
[0063] 将上式离散化后得到甲板运动的离散模型：
[0064]
(2)
[00财式中，0k,k_i为甲板运动状态向量X从tk_府刻转移到tk时刻的转移矩阵， ，T,为采样时间；rk，k_i为tk_i时刻的系统动态噪声向量Wk_i对tk时刻的甲板运 动状态向量Xk影响的噪声系数矩阵，r,.,iHk为观测系数矩阵；Wk_i为系统动态 噪声，其方差阵为Qk_i;vk为观测噪声，其方差阵为Rk。
[0066]甲板运动状态变量Xk在未来T时刻的最优估计值的表达式为 衣"孝=雌+化峭I,，其中m=T化，状态转移阵雖+ "U-) =e-k=1^.斬，A为甲板运动传 递函数所对应的系数空间矩阵，為*为甲板运动k时刻状态估计值。根据分别得到T 时刻甲板纵向运动预估信息Ahd和甲板横侧向运动预估信息Ayd。
[0067] 所述纵向控制律模块的计算方法如下：
[0068]首先将飞机的纵向状态方程离散化，得到飞机的纵向离散化模型E1。。为：
[0069]
(3)
[0070]其中，纵向状态变量矩阵AxbiDn= [AVAaAqAq]T，AV为速度反馈量与配 平值之差，Aa为迎角反馈量与配平值之差，Aq为俯仰角速率反馈量与配平值之差，Aq 为俯仰角反馈量与配平值之差；Aubi。。为纵向控制输入量矩阵，Aubi""=[A5。A5t] T，A8。为升降驼偏角增量，A5T为油口增量；Ah为实际飞行高度值；Arin为可预见的 理想下滑高度；Axp为可预见的理想下滑高度的信息存储值；Ah。,为实际飞行高度反馈量 与理想下滑高度之差；在采样时间为L，理想下滑高度的可预见时间tp时，可预见步数N= tp化;Abl。。、Bbl。。、Aebl。。为飞机的纵向状态空间矩阵;Ap、Bp、Cp为N步延时器的状态空间系数，
[0071]
[007引式（1)中的Arin似=Ah。化+脚是k时刻的理想下滑高度的N步预见值，Ah。 为k时刻的理想下滑高度，AXp(k)表示为：
[0073]
(4)
[0074] 纵向控制律模块采用全信息鲁椿预见控制方法设计控制器，全信息鲁椿预见控制 器由反馈控制分量和前馈控制分量两部分组成；在下滑道跟踪阶段，将实际飞行高度反馈 量与理想下滑高度之差Ah。,及纵向状态变量误差AXbi。。送入反馈控制分量，将可预见的 理想下滑高度Arin和可预见的理想下滑高度的信息存储值AXp送入前馈控制分量，将两 部分结合起来进行全信息预见控制，实现下滑道高度跟踪，其控制律为：
[00 巧]
(5)
[007引式中，Fbi。。为纵向状态变量误差参数矩阵，F,i。。为高度误差参数矩阵，Fpi。。为N步 理想下滑高度预见信息参数矩阵，Ffi。。为第N步理想下滑高度预见信息参数矩阵；
[0077] 在甲板运动补偿阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差Ah。,、纵向状 态变量误差AXbi。。及甲板纵向运动预估信息Ahd送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑 高度Arin和甲板纵向运动预估信息Ahd送入前馈控制分量，将两部分结合起来进行全信 息预见控制，实现下滑道高度跟踪及甲板浮沉运动补偿，其控制律为：
[0078]
(6)
[0079] 其中，Fphn(j)为所述Fpi。。中的第（j+1)项；
[0080] 由纵向离散化模型E1。。可W推导得到：
[0081]
(7)
[00础矩阵Fbi。。，Fei。。，Fpi。。，Fri。。的计算公式如下：
[0083]
(8)
[0084] 式中
，Cghn= [0I]，Wi为纵向全信息鲁椿预见控 制律输出权重，W,为纵向全信息鲁椿预见控制律输入权重，Fgi。。为纵向状态变量反馈系数矩 阵，j为中间变量，Z为整数集合，哀、S、Aw均为中间变量系数矩阵，Xgg是式（9)的离散代 数化ccati方程的稳态解；
[0085]
(9)
[0086] 当系统满足W下S个约束条件时，且使得控制性能指标Ji。。最小化的纵向控制输 入量矩阵AUbi。。为目标控制信号；其中，所述控制性能指标Ji。。为：
[0087]
(10)
[0088] 所述约束条件为：
[008引（1) (Agi。。BgiJ是稳定的；
[0090]似胖2'胖2〉0;
[0091] 做
满秩；
[0092] 其中，X为中间变量。
[0093] 所述的横侧向控制律模块的计算方法如下：
[0094] 飞机的横侧向离散化模型Elat为：
[0095]
(11)
[0096]其中，横侧向状态变量矩阵AXbiat=[AbApArAd)Ai])]T，Ab为侧滑 角反馈量与配平值之差，Ap为滚转角速率反馈量与配平值之差，Ar为偏航角速率反馈 量与配平值之差，A4为滚转角反馈量与配平值之差，A1])为偏航角反馈量与配平值之 差；Aubiat为横侧向控制输入量矩阵，Aubiat=[A5。A5JT，A5。为副翼偏角增量， ASt为方向驼偏角增量；Ay为实际侧偏距；Ay实际侧偏距反馈量与配平值之差； Abht、Bbht、Aebht为飞机的横侧向状态空间矩阵；
[0097] 横侧向控制律模块采用全信息鲁椿预见控制方法设计控制器，在下滑道跟踪阶 段，由于舰载机跟踪下滑道自动着舰阶段的理想侧偏距始终为零，此时的预见信息可W忽 略不计，故将横侧向状态变量误差AXbht和实际侧偏距反馈量与配平值之差Ay 入 反馈控制分量来控制舰载机的横侧向运动，使舰载机保持零侧偏距和侧向稳定，其控制律 为：
[0098]
(12)
[009引式中，Fbi。为横侧向状态变量反馈系数矩阵，Feiat为侧偏距误差反馈系数矩阵
[0100] 在甲板运动补偿阶段，将实际侧偏距反馈量与配平值之差Ay。,、横侧向状态量误 差AXbht及甲板横侧向运动预估信息Ayd送入反馈控制分量，将甲板横侧向运动预估信息 Ayd送入前馈控制分量，将两部分结合起来进行全信息预见控制，实现零侧偏距及横侧向 甲板运动跟踪补偿，其控制律为：
[0101]
(13)
[0102] 式中，Fpht为N步侧偏距预见信息参数矩阵，Ffht为第N步侧偏距预见信息参数矩 阵；矩阵Fbht,Fght,Fpht,Ffht的计算公式如下：
[0103]
(14)
[0104] 其中，
Cght= [0I]，W3为横侧向全信息鲁椿预见控 制律输出权重，W4为横侧向全信息鲁椿预见控制律输入权重；Fght为横侧向反馈系数矩阵；Rg为系数矩阵；Sg、Awg均为中间变量系数矩阵；Xg是式（15)的离散代数化ccati方程的稳 态解；
[0105]
(15)
[0106] 当系统满足W下S个约束条件时，且使得控制性能指标Jht最小化的横向控制输 入量矩阵AUbht为目标控制信号；其中，所述控制性能指标Jht为：
[0107]
(16)
[010引所述约束条件为：
[010引（1)(AgiatBgiJ是稳定的；
[0110]似胖4'胖4〉0;
[0111] (3)
爾秩；
[01 12] 其中，X为中间变量。
[0113] 为了验证本发明在舰载机自动着舰控制上的有效性，进行如下仿真实验。仿真工 具采用MTLAB软件，分析时舰载机动力学模型采用F/A-18的相关参数，航母对象采用"巧 米兹"号航母，仿真实验中采用下滑道跟踪着舰，下滑道跟踪时间应该为56. 3s，下滑道的倾 斜角为3.5°，舰载机的初速度V。为70m/s，迎角恒定为8.5°，俯仰角为5°，初始高度为 240. 7m，初始侧偏距为-Im，采样时间为0.Is,预见步数为12,预估器预估时间为1. 2s。首 先在舰载机自动着舰阶段选取配平点，如表2所示，得到对应的纵向和横侧向线性方程，然 后按上述【具体实施方式】进行仿真计算。
[0114] 表 2 [011引

[011引仿真实验中w纵向甲板运动为例，进行预估。将单位白噪声通过纵向甲板运动传 递函数
，可W得到时域中的纵向甲板运动信息，其 中动态噪声Wk功率为1，观测噪声V k功率为0. 0225,将其送入预估模块，其中观测器矩阵 系数为Hk= [1 0 0 0]，得到纵向甲板运动的预估信息如图2所示。由图2可知，基于粒子 滤波器设计的预估器预估效果很好。舰载机自动着舰的整个过程若不引入甲板运动预估信 息，得到的仿真曲线如图3和图4所示。其中图3为纵向高度跟踪仿真曲线，由图中可W看 出舰载机在全信息鲁椿预见控制下的着舰高度几乎与理想着舰高度完全重合，跟踪效果非 常好；而PID控制下的着舰高度在前20s-直存在明显的跟踪误差，而20s后才开始消除跟 踪误差，最终实现下滑道跟踪着舰。其中图4为横侧向消除侧向偏离仿真曲线，由图中可W 看出，舰载机在全信息鲁椿预见控制下响应时间为15s时实现无侧偏，即跟踪达到稳定状 态；PID控制下的侧偏距响应时间为30s左右实现无侧偏。当在着舰前12. 5s将甲板运动 预估信息加入舰载机自动着舰系统中进行仿真，W纵向甲板运动为例，得到纵向甲板运动 跟踪补偿曲线如图5所示。如图5可知，相较于PID控制，基于全信息鲁椿预见控制的纵向 甲板运动跟踪响应速度更快，跟踪效果更好。
[0117] 由仿真实验可W得出，本发明所述的一种基于预见控制的舰载机自动着舰控制方 法能很好的实现舰载机自动着舰下滑轨迹跟踪与甲板运动补偿，能够确保舰载机安全的在 航母上着舰，提高着舰成功率。
[0118] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，该些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，其特征在于：包括甲板运动预 估模块、纵向控制律模块和横侧向控制律模块；首先将甲板运动送入甲板运动预估模块得 到甲板运动预估信息，并在着舰前将甲板运动预估信息引入舰载机自动着舰控制系统；其 中，所述甲板运动预估模块的计算方法如下： 对于已知传递函数的甲板运动，采用粒子滤波器算法设计预估器，用于预估τ时刻的 甲板运动信息，得到甲板运动在未来τ时刻的最优估计值的表达式为毛+4 + ρ 其中Φ (k+m，k)为状态转移矩阵，k为时间，m = τ/%，1；为系统采样时间，状态转移阵 φ(/? + "7Α V · A为甲板运动传递函数所对应的系数空间矩阵，为甲板运动k /=〇 Il ^k\k 时刻状态估计值；根据所述毛+?#，分别得到τ时刻甲板纵向运动预估信息Ahd和甲板横侧 向运动预估信息Ayd; 所述纵向控制律模块的计算方法如下： 飞机的纵向离散化模型Σ lm为：其中，纵向状态变量矩阵Axblm= [AV Λα Aq ΛΘ]Τ，Λ V为速度反馈量与配平值 之差，Δ α为迎角反馈量与配平值之差，Aq为俯仰角速率反馈量与配平值之差，Λ Θ为俯 仰角反馈量与配平值之差；Aublm为纵向控制输入量矩阵，Aublm= [Δ δ ^ Δ δτ]τ，Δ δε 为升降舵偏角增量，Δ δ τ为油门增量；Ah为实际飞行高度值；Arin为可预见的理想下 滑高度；Δ Χρ为可预见的理想下滑高度的信息存储值；Λ h 实际飞行高度反馈量与理想 下滑高度之差；在采样时间为Ts，理想下滑高度的可预见时间％时，可预见步数N = t p/Ts; Abl。n、Bbl。n、Aεbl。 n为飞机的纵向状态空间矩阵；Ap、Bp、Cp为N步延时器的状态空间系数；式（l) 中的Arin(k) = Ah。(k+N)是k时刻的理想下滑高度的N步预见值，Ah。理想下滑高度， Δ xp (k)表示为：纵向控制律模块采用全信息鲁棒预见控制方法设计控制器，全信息鲁棒预见控制器由 反馈控制分量和前馈控制分量两部分组成；在下滑道跟踪阶段，将实际飞行高度反馈量与 理想下滑高度之差及纵向状态变量误差Λ Xblm送入反馈控制分量，将可预见的理想 下滑高度Arin和可预见的理想下滑高度的信息存储值△ Xp送入前馈控制分量，实现下滑 道高度跟踪，其控制律为：式中，Fbltm为纵向状态变量误差参数矩阵，F 61?为高度误差参数矩阵，FplmS N步理想 下滑高度预见信息参数矩阵，Frim为第N步理想下滑高度预见信息参数矩阵； 在甲板运动补偿阶段，将实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差△!!"、纵向状态变 量误差Δχω"及甲板纵向运动预估信息Ahd送入反馈控制分量，将可预见的理想下滑高度 Λ rin和甲板纵向运动预估信息△ hd送入前馈控制分量，实现下滑道高度跟踪及甲板浮沉 运动补偿，其棹制律为：其中，Fpltm(J)为所述Fplm中的第（j+Ι)项；矩阵Fblm，F& n，Fpltm1(m的计算公式如下：式中，^二^^^为纵向全信息鲁棒预见控制律 输出权重，W2为纵向全信息鲁棒预见控制律输入权重，Fglm为纵向状态变量反馈系数矩阵， j为中间变量，Z为整数集合，及、ShAcig均为中间变量系数矩阵，Xgg是式（6)的离散代数 Riccati方程的稳态解； ^ = -Fg>〇，. ^ + Cgton W1 WlCghll (6) 当系统满足以下三个约束条件时，且使得控制性能指标Jlm最小化的纵向控制输入量 矩阵Δ Ublm为目标控制信号；其中，所述控制性能指标J lm为：所述约束条件为： (1) (Agion Bgion) 是稳定的； (2) I' 1>Q : 其中，X为中间变量；所述的横侧向控制律模块的计算方法如下： 飞机的横侧向离散化模型Σ lat为：其中，横侧向状态变量矩阵Axblat= [Λβ ΛΡΛΓΛφ Λφ]τ，Λβ为侧滑角反馈 量与配平值之差，△ P为滚转角速率反馈量与配平值之差，为偏航角速率反馈量与配平 值之差，Λ φ为滚转角反馈量与配平值之差，Λ φ为偏航角反馈量与配平值之差；Λ Ublat为 横侧向控制输入量矩阵，Aublat= [Λ δ a Λ δ」τ，Λ δ a为副翼偏角增量，Λ δ ^为方向舵 偏角增量；Δγ为实际侧偏距；AyJ%实际侧偏距反馈量与配平值之差；Ablat、Bblat、A eblat为 飞机的横侧向状态空间矩阵； 横侧向控制律模块采用全信息鲁棒预见控制方法设计控制器，在下滑道跟踪阶段，将 横侧向状态变量误差Axblat和实际侧偏距反馈量与配平值之差Ayw送入反馈控制分量来 控制舰载机的横侧向运动，使舰载机保持零侧偏距和侧向稳定，其控制律为：式中，Fblat为横侧向状态变量反馈系数矩阵，F elat为侧偏距误差反馈系数矩阵； 在甲板运动补偿阶段，将实际侧偏距反馈量与配平值之差、横侧向状态量误差 Δ Xblat及甲板横侧向运动预估信息△ y d送入反馈控制分量，将甲板横侧向运动预估信息 Δ yd送入前馈控制分量，实现零侧偏距及横侧向甲板运动跟踪补偿，其控制律为：式中，Fplat为N步侧偏距预见信息参数矩阵，F riat为第N步侧偏距预见信息参数矩阵； 矩阵Fbiat, Kiat, FPiat，FnJ计算公式如下：其中，〕glat= [〇 I]，W3为横侧向全信息鲁棒预见控制律 输出权重，W4为横侧向全信息鲁棒预见控制律输入权重；Fglat为横侧向反馈系数矩阵；元、 Sg、Aegg均为中间变量系数矩阵；Xg是式（12)的离散代数Riccati方程的稳态解； ^ = ^ -F^r 'RgFglal + Cglal W3 W3Cglal (12) 当系统满足以下三个约束条件时，且使得控制性能指标Jlat最小化的横向控制输入量 矩阵△ Ublat为目标控制信号；其中，所述控制性能指标J lat为：所述约束条件为： (I) (Aglat Bglat)是稳定的； (2) W4' ff4>0 ；其中，x为中间变量。
【专利摘要】本发明公开的一种基于鲁棒预见控制的舰载机自动着舰控制方法，从而利用下滑道轨迹以及纵向甲板运动的未来信息和现在的信息对舰载机进行预见控制，从而实现对下滑道高度的跟踪及纵向甲板运动的补偿，同时能够有效抑制和消除侧向偏移，使舰载机保持侧向稳定。其中利用未来信息进行前馈控制，利用当前信息进行反馈控制，可以提前对舰载机的舵面和油门实施平均操作以达到跟踪补偿目的，减小瞬时的能量，并且加快响应速度，确保舰载机能在航母上安全着舰。
【IPC分类】G05D1/10, G05B13/04
【公开号】CN104880946
【申请号】CN201510158509
【发明人】甄子洋, 邵敏敏, 龚华军, 江驹
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月3日