賈權(quán)振 吳亭 賈杰 洪洋（南昌航空大學(xué)，杭州睿杰智能空中機(jī)器人科技有限公司）

本文針對(duì)傳統(tǒng)控制方法無(wú)法滿足當(dāng)下無(wú)人機(jī)飛行要求的情況，介紹了幾種先進(jìn)控制方法，并與傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行對(duì)比，分析其特點(diǎn)以及在解耦合、靜不穩(wěn)定設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)，最后利用Matlab對(duì)傳統(tǒng)PID控制和一種先進(jìn)控制方法—自抗擾控制進(jìn)行仿真，利用仿真數(shù)據(jù)對(duì)比說(shuō)明自抗擾控制方法的優(yōu)點(diǎn)。

無(wú)人機(jī)逐漸成為智能陸戰(zhàn)場(chǎng)執(zhí)行低空壓制作戰(zhàn)任務(wù)的主力兵器, 它們?cè)诓粩嗟馗淖冎鴳?zhàn)爭(zhēng)的形態(tài), 且在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、不斷發(fā)展的軍事技術(shù)反過(guò)來(lái)對(duì)未來(lái)無(wú)人機(jī)的性能提出了更高的要求，主要有高精度定點(diǎn)清除，提高自防護(hù)能力，防區(qū)外自發(fā)射與遠(yuǎn)距離打擊能力，快速的反應(yīng)能力和機(jī)動(dòng)能力，復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下的抗干擾能力，全天候全天時(shí)作戰(zhàn)能力以及自主化和智能化（自動(dòng)探測(cè)、識(shí)別、選擇目標(biāo)及要害部位）。

無(wú)人機(jī)制導(dǎo)控制系統(tǒng)能力對(duì)實(shí)現(xiàn)這些無(wú)人機(jī)性能要求起到至關(guān)重要的作用，未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)人機(jī)有更高要求，必須有堅(jiān)實(shí)的制導(dǎo)控制技術(shù)基礎(chǔ)作支撐。無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)性能的提高與各種因素息息相關(guān)，這里僅從控制方法角度進(jìn)行介紹。

無(wú)人機(jī)先進(jìn)控制方法

現(xiàn)代控制理論在自動(dòng)駕駛儀中的應(yīng)用

自動(dòng)駕駛儀是無(wú)人機(jī)制導(dǎo)、控制系統(tǒng)的重要部分之一，是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)按照導(dǎo)引規(guī)律，準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定地飛向目標(biāo)的重要保證。傳統(tǒng)控制技術(shù)難以保證無(wú)人機(jī)在既滿足技術(shù)指標(biāo)要求的同時(shí),又能提高系統(tǒng)的控制性能及其穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾性等。

（1）傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)控制方法的優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，物理意義明確，工程上容易實(shí)現(xiàn)，可靠性高，并且具有一定的魯棒性，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)代無(wú)人機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)性能要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)以古典控制理論為基礎(chǔ)的、建立在對(duì)模型大幅度簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果并不總讓人滿意，需要采用一些先進(jìn)的控制理論來(lái)解決。

（2）現(xiàn)代控制方法

現(xiàn)代控制方法可以有效抑制參數(shù)攝動(dòng)及各種干擾的影響，能夠跟蹤系統(tǒng)未建模動(dòng)態(tài)，因而具有更好的控制性能，極大地推動(dòng)了無(wú)人機(jī)飛行控制技術(shù)的發(fā)展。

1）最優(yōu)控制

對(duì)于控制對(duì)象，找到滿足控制約束的容許控制，在給定時(shí)間區(qū)間內(nèi)將系統(tǒng)狀態(tài)從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移到終值狀態(tài),并使某一性能指標(biāo)達(dá)到最小。

最優(yōu)控制常與其他控制方法結(jié)合使用，發(fā)揮其使指標(biāo)最優(yōu)的特點(diǎn)；利用最優(yōu)控制技術(shù)可對(duì)現(xiàn)有型號(hào)進(jìn)行改進(jìn)，如改進(jìn)控制方案、優(yōu)化控制參數(shù)等。

2）滑模變結(jié)構(gòu)控制

對(duì)干擾和參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性；解決參數(shù)不確定或模型非線性的一般方法，可推廣到各種類型控制對(duì)象和控制目的中；最有可能首先實(shí)用化的現(xiàn)代控制方法，分析、綜合方法比較簡(jiǎn)單可靠，而且在實(shí)際的飛機(jī)和導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已有初步應(yīng)用。

3）智能控制

不再依靠單一的數(shù)學(xué)解析模型，而是數(shù)學(xué)解析模型和知識(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的廣義模型，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，適用于不易得到精確模型的系統(tǒng)。

目前，研究較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、遺傳算法等理論。不過(guò)，其主要是和其他控制方法結(jié)合使用，實(shí)時(shí)計(jì)算量大，不利于工程應(yīng)用。

4）反饋線性化

利用變換技術(shù)和微分幾何學(xué)，將原非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)化為線性的動(dòng)態(tài)特性，從而可以根據(jù)成熟的線性系統(tǒng)理論進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。包含兩種方法：微分幾何方法和動(dòng)態(tài)逆方法。

微分幾何方法：對(duì)于仿射非線性系統(tǒng)，基于非線性系統(tǒng)幾何理論和相對(duì)度概念，通過(guò)微分同胚和反饋，將控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換至幾何域下處理，也為一類非線性系統(tǒng)分析與綜合問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的手段，但是比較抽象，不便在工程上推廣應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)逆方法：認(rèn)為一個(gè)具有動(dòng)態(tài)過(guò)程的力學(xué)系統(tǒng)，也有相應(yīng)的動(dòng)態(tài)逆系統(tǒng)。先用對(duì)象模型構(gòu)造一個(gè)可用反饋方法實(shí)現(xiàn)的原系統(tǒng)的逆系統(tǒng)，作為控制律串接在原系統(tǒng)的前端，將原系統(tǒng)補(bǔ)償為具有線性傳遞關(guān)系且已經(jīng)解耦的線性系統(tǒng)。

反饋線性化的優(yōu)點(diǎn)有系統(tǒng)模型不受仿射非線性這個(gè)形式的限制，考慮了模型各種非線性因素并通過(guò)選擇理想的動(dòng)力學(xué)特性達(dá)到控制目的，直觀簡(jiǎn)便，易于理解。缺點(diǎn)為需要完整而準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，逆誤差的存在會(huì)破壞嚴(yán)格的對(duì)消關(guān)系，魯棒性不好，僅最小相位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)逆變換計(jì)算量大，目前通常內(nèi)環(huán)使用動(dòng)態(tài)逆使系統(tǒng)線性化，外環(huán)使用其他控制律實(shí)現(xiàn)魯棒性。

5）魯棒控制

魯棒控制就是存在參數(shù)不確定性和未建模動(dòng)態(tài)時(shí)，設(shè)計(jì)控制器保證控制系統(tǒng)具有盡量強(qiáng)的穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性。

優(yōu)點(diǎn)是由于其最有敏感性特點(diǎn)，魯棒控制可有效抑制干擾和補(bǔ)償未建模動(dòng)態(tài)，具有較強(qiáng)魯棒性。缺點(diǎn)則是魯棒設(shè)計(jì)往往是在考慮最壞條件下獲得的，過(guò)于保守，在一定程度上犧牲了性能指標(biāo)。

6）反步法（反演控制、回饋遞推法、反向遞推法）

主要思想是將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，在每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，構(gòu)造合適的李亞普諾夫函數(shù)，選擇一個(gè)虛擬的控制量來(lái)實(shí)現(xiàn)前面一步的局部控制目標(biāo)。從離系統(tǒng)輸入最遠(yuǎn)的子系統(tǒng)開(kāi)始，向著控制輸入步退，一直后退到整個(gè)系統(tǒng)，直至設(shè)計(jì)出真正的控制器。

（a）具有處理特定結(jié)構(gòu)、存在非匹配不確定性的非線性系統(tǒng)的能力。

（b）是一種非線性系統(tǒng)的遞推設(shè)計(jì)方法，不需要對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行線性化，保留了系統(tǒng)的非線性特性。

（c）具有結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)化的優(yōu)點(diǎn)，易于處理系統(tǒng)中的不確定性和未知參數(shù)。

解耦控制

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)能力的要求越來(lái)越高，而大機(jī)動(dòng)飛行使無(wú)人機(jī)存在嚴(yán)重的耦合現(xiàn)象。耦合問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面：

1）誘導(dǎo)滾轉(zhuǎn)：機(jī)動(dòng)增大，側(cè)滑誘起的滾轉(zhuǎn)力矩越來(lái)越嚴(yán)重。

2）不確定性側(cè)向誘導(dǎo)：大機(jī)動(dòng)時(shí)縱向和側(cè)向間產(chǎn)生顯著影響。

3）控制面氣動(dòng)交叉耦合：大機(jī)動(dòng)飛行迎風(fēng)面、背風(fēng)面氣動(dòng)差異。

4）縱/側(cè)向氣動(dòng)力和力矩系數(shù)確定性交感：大機(jī)動(dòng)下氣動(dòng)系數(shù)與攻角、側(cè)滑角呈較強(qiáng)非線性關(guān)系。

5）運(yùn)動(dòng)學(xué)耦合：運(yùn)動(dòng)方程。

6）慣性耦合：力矩平衡方程。

基于三通道獨(dú)立假設(shè)，將耦合項(xiàng)作為干擾設(shè)計(jì)控制器的常用方法，會(huì)因?yàn)橥ǖ篱g的耦合，使設(shè)計(jì)出的無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)喪失穩(wěn)定性，需考慮采用解耦控制。被控對(duì)象的耦合狀況可分為“規(guī)范耦合”和“規(guī)范耦合”，相應(yīng)地把解耦也分為“規(guī)范解耦”和“規(guī)范解耦”。

P規(guī)范耦合：系統(tǒng)中的任意一個(gè)輸出都受到該系統(tǒng)的所有輸入量的影響。

V規(guī)范耦合：系統(tǒng)每一個(gè)輸出不僅受本通道輸入的影響，而且受其他通道輸出經(jīng)過(guò)該通道的影響。

這兩種基本規(guī)范可互相轉(zhuǎn)換。實(shí)際系統(tǒng)往往兩種規(guī)范都存在，線性系統(tǒng)可以利用疊加原理將復(fù)雜的耦合分解為P規(guī)范和V規(guī)范來(lái)處理。

解耦是指把一個(gè)有耦合的多變量過(guò)程控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成由一些無(wú)耦合的單變量過(guò)程組成的控制系統(tǒng)，在控制上形成“一個(gè)輸入只影響一個(gè)輸出”的控制。解耦可以分為兩種形式：完全解耦和部分解耦。其中，完全解耦是指引入適當(dāng)控制規(guī)律，使傳遞函數(shù)矩陣為非奇異對(duì)角陣，不過(guò)其只是從理論角度而言，實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)；對(duì)于部分解耦而言，雖然有耦合存在，但不會(huì)給系統(tǒng)的工作帶來(lái)嚴(yán)重影響，工程上的控制系統(tǒng)解耦多屬于此。

常見(jiàn)的解耦方法主要有以下幾種：

（1）參數(shù)補(bǔ)償法

對(duì)于一個(gè)具有n個(gè)輸入U(xiǎn)1，U2，...，Un和n個(gè)輸出Y1，Y2，...，Yn的耦合系統(tǒng)，通過(guò)合理的解耦設(shè)計(jì)，使其傳遞函數(shù)矩陣H(s)成為非奇異對(duì)角陣，則系統(tǒng)為解耦系統(tǒng)。

其中，耦合系統(tǒng)

傳遞函數(shù)矩陣為H(s)=C(SI-A)-1-B，引入解耦控制規(guī)律：U=FX+Gv（v為引入狀態(tài)反饋后系統(tǒng)輸入），可得：耦合系統(tǒng)

傳遞函數(shù)矩陣

解耦該系統(tǒng)的反饋存在的充要條件為detB*≠0：

則HFG(s)為解耦的非奇異對(duì)角陣。

（2）模型跟蹤法

在不考慮控制對(duì)象的耦合時(shí)，建立一個(gè)理想的無(wú)耦合動(dòng)態(tài)模型，接入系統(tǒng)并與實(shí)際控制對(duì)象的輸出進(jìn)行比較，建立誤差方程，控制使其誤差最小或達(dá)到允許的程度。

耦合系統(tǒng)

（3）特征結(jié)構(gòu)配置法

借助反饋控制器，根據(jù)系統(tǒng)所需保證的幾個(gè)模態(tài)，將閉環(huán)系統(tǒng)特征值配置到期望的位置上，并通過(guò)合理選擇特征向量，改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)解耦。

1）配置特征值實(shí)質(zhì)上是配置閉環(huán)極點(diǎn)，只需結(jié)合所需閉環(huán)系統(tǒng)性能配置即可。

2）解耦控制關(guān)鍵在于特征向量的選擇，特征向量的元素分為指定元素和未指定元素，通過(guò)對(duì)各模態(tài)理想特征向量中指定元素0或1的選擇，實(shí)現(xiàn)模態(tài)內(nèi)的耦合，模態(tài)間的解耦。

前面所介紹的各種現(xiàn)代控制理論都可應(yīng)用在解耦控制中，這里不再一一介紹。

靜不穩(wěn)定無(wú)人機(jī)控制技術(shù)

近年來(lái)采用靜不穩(wěn)定設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)日漸增多，主要有兩個(gè)原因：

一是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)的性能提出了非常高的要求。放寬穩(wěn)定度設(shè)計(jì)能較大幅度提高無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性、飛行速度、飛行斜距，減少結(jié)構(gòu)重量和翼展尺寸。

二是大迎角飛行無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)方法的興起。大迎角飛行無(wú)人機(jī)具有復(fù)雜的非線性氣動(dòng)特性。以超聲速靶機(jī)為例，在跨聲速段無(wú)人機(jī)的靜穩(wěn)定度與其飛行攻角有著密切關(guān)系。隨著攻角增大，無(wú)人機(jī)可以從靜穩(wěn)定變化為靜不穩(wěn)定，所以在進(jìn)行大攻角飛行無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法回避靜不穩(wěn)定問(wèn)題。

現(xiàn)代無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，解決靜不穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的控制問(wèn)題將是無(wú)人機(jī)自動(dòng)駕駛儀設(shè)計(jì)中的中心任務(wù)之一。傳統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)無(wú)人機(jī)按靜穩(wěn)定規(guī)范進(jìn)行外形設(shè)計(jì)。無(wú)人機(jī)在飛行中，靜穩(wěn)定度始終是負(fù)值，壓心始終在重心的后面。而將飛機(jī)主動(dòng)控制技術(shù)概念推廣到無(wú)人機(jī)上：在性能優(yōu)良可靠的飛控系統(tǒng)保證下，只要求“無(wú)人機(jī)+飛控系統(tǒng)”閉環(huán)系統(tǒng)有良好穩(wěn)定性即可。

無(wú)人機(jī)允許設(shè)計(jì)成靜不穩(wěn)定、中立穩(wěn)定和靜穩(wěn)定；也允許設(shè)計(jì)成起飛時(shí)呈靜不穩(wěn)定、中間飛行呈中立穩(wěn)定、后段飛行呈靜穩(wěn)定。理論上，無(wú)人機(jī)允許靜不穩(wěn)定的范圍是很寬的，但是有一個(gè)極限：當(dāng)壓心前移到與操縱力的合力中心重合時(shí)，駕駛儀就無(wú)法進(jìn)行人工穩(wěn)定了，這就是理論上的穩(wěn)定邊界。

對(duì)于正常式布局的無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)的壓心不可能與操縱力的合力中心重合，所以不存在這種理論邊界。它的放寬穩(wěn)定度邊界主要受到舵機(jī)頻帶的限制。靜不穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的人工穩(wěn)定，阻尼回路是主要實(shí)現(xiàn)途徑。速率陀螺感受角速度信號(hào)，經(jīng)負(fù)反饋產(chǎn)生人工阻尼舵偏角，穩(wěn)定無(wú)人機(jī)飛行。放寬穩(wěn)定度設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)體－駕駛儀有以下幾個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

（1）高增益負(fù)反饋

1）阻尼回路常用的辦法是增大負(fù)反饋增益和選擇合理的校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)提高穩(wěn)定。

2）在一定范圍內(nèi)增大負(fù)反饋增益可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有利于系統(tǒng)的人工穩(wěn)定，增益過(guò)大，亦會(huì)引起回路不穩(wěn)定。

3）相同的外界干擾下，阻尼舵偏角增大，要求機(jī)械極限舵偏角增大，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)麻煩。

4）反饋增益增加，彈性彈體經(jīng)角速度陀螺的影響也增大。

應(yīng)合理選擇反饋增益和校正網(wǎng)絡(luò)的形式與參數(shù)。

（2）舵偏速度

靜不穩(wěn)定無(wú)人機(jī)舵偏角增加了人工穩(wěn)定功能。攻角產(chǎn)生發(fā)散氣動(dòng)力矩，舵偏產(chǎn)生恢復(fù)氣動(dòng)力矩，這就要求舵面偏轉(zhuǎn)速度比攻角變化的速度快。

攻角變化率主要由機(jī)體運(yùn)動(dòng)角速度確定，隨靜不穩(wěn)定度增加和飛行動(dòng)壓增大而增大，對(duì)于自動(dòng)穩(wěn)定段飛行來(lái)說(shuō)，跨聲速度特征點(diǎn)和最大速度點(diǎn)的攻角變化率比較大。

（3）彈性機(jī)體影響

彈性振動(dòng)經(jīng)過(guò)阻尼陀螺，通過(guò)負(fù)反饋電路產(chǎn)生高頻交變舵偏角和交變法向力，激起彈體的振動(dòng)，形成閉合回路。按放寬穩(wěn)定度設(shè)計(jì)，須采用高增益負(fù)反饋，從而就加重了彈性機(jī)體對(duì)回路穩(wěn)定的影響。

（4）過(guò)載限制器

中立穩(wěn)定無(wú)人機(jī)的舵效很高，機(jī)體放大系數(shù)很大，小舵偏角對(duì)應(yīng)于大攻角和大過(guò)載。在這種狀態(tài)下，舵偏不會(huì)超過(guò)最大允許值，而攻角和機(jī)動(dòng)過(guò)載首先超過(guò)極限值。為了保證飛行的安全，應(yīng)采用攻角限制器或過(guò)載限制器。

1）攻角限制器：直接限制攻角大小，使氣動(dòng)力不失速，同時(shí)限制過(guò)載。需要攻角傳感器，或通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)間接測(cè)量攻角值。

2）過(guò)載限制器：直接限制最大過(guò)載，同時(shí)限制攻角。使用加速度計(jì)方便。

（5）變系數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)

機(jī)體放大系數(shù)變化范圍比靜穩(wěn)定設(shè)計(jì)寬得多。無(wú)人機(jī)在靜穩(wěn)定規(guī)范下，能夠設(shè)計(jì)成常系數(shù)駕駛儀。而在放寬穩(wěn)定度設(shè)計(jì)下，必須采用變系數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)靜不穩(wěn)定度大時(shí)，采用高增益負(fù)反饋；當(dāng)靜不穩(wěn)定度小或靜穩(wěn)定時(shí)，采用小增益負(fù)反饋。

無(wú)人機(jī)靜穩(wěn)定度是飛行時(shí)間的函數(shù)，可以在無(wú)人機(jī)內(nèi)部安裝時(shí)間機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)變系數(shù)。按時(shí)間用分檔式的變系數(shù)裝置是最方便的辦法。目前最為先進(jìn)的方法是采用以預(yù)定增益控制理論為基礎(chǔ)的數(shù)字式自適應(yīng)自動(dòng)駕駛儀。

先進(jìn)控制方法示例——自抗擾控制

這里以自抗擾控制（ADRC）為例詳細(xì)介紹其原理和設(shè)計(jì)。自抗擾控制技術(shù)，是發(fā)揚(yáng)PID控制的精髓并吸取現(xiàn)代控制理論成就，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果的歸納和綜合中探索出來(lái)的，是不依賴于被控對(duì)象精確模型的、能夠替代PID控制技術(shù)的、新型實(shí)用數(shù)字控制技術(shù)。

該算法具有可應(yīng)用性廣、控制精度高、模塊化等優(yōu)點(diǎn)。在大干擾的控制環(huán)境下，或者對(duì)控制速度、控制精度要求苛刻的控制環(huán)境下，自抗擾控制算法更能表現(xiàn)其顯著的控制能力。

PID控制技術(shù)精髓。其控制思想是用誤差來(lái)產(chǎn)生消除誤差的控制策略，不需要對(duì)象精確模型。

PID控制缺點(diǎn)：

1）控制量是基于比例、微分、積分的線性組合，但線性組合不一定是最好的組合方式，能否在非線性領(lǐng)域找到更合適的組合方式是值得探索的。

2）理想微分器的物理不可實(shí)現(xiàn)性、對(duì)噪聲或干擾信號(hào)的放大作用。

3）直接以e=v-y的方式產(chǎn)生原始誤差不合理，要求讓只能連續(xù)緩變的y跟蹤能跳變的v本身不合理。

4）積分是為了消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差而引入的，但也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能會(huì)引起系統(tǒng)震蕩，或積分過(guò)飽和現(xiàn)象。

對(duì)于這些問(wèn)題，其解決辦法為：

（1）安排過(guò)渡過(guò)程

根據(jù)控制目標(biāo)和對(duì)象承受能力先安排合適的過(guò)渡過(guò)程，同時(shí)給出過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)。

v(t)：控制目標(biāo)；

v1(t)：對(duì)控制目標(biāo)安排的過(guò)渡過(guò)程；

v2(t)：過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)；

∑：根據(jù)控制目標(biāo)和對(duì)象能力安排的動(dòng)態(tài)過(guò)程；

（2）微分信號(hào)的提取

改為用兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)輸出之差來(lái)實(shí)現(xiàn)微分功能，降低噪聲放大效應(yīng)。

最快跟蹤輸入信號(hào)并提取微分信號(hào)的方法：

其“快速最優(yōu)控制”綜合系統(tǒng)為：

PID控制框圖。

對(duì)此系統(tǒng)按如下方式送入輸入信號(hào)：

那么x1(t)將在加速度限制|x1(t)|條件下最快地跟蹤輸入信號(hào)v1(t)，此時(shí)x2(t)可當(dāng)作輸入信號(hào)的微分信號(hào)。

為了避免顫振現(xiàn)象，離散化系統(tǒng)：

推導(dǎo)出最速綜合函數(shù)：

利用該函數(shù)建立離散最速反饋系統(tǒng)為：

（3）非線性組合

改用誤差信號(hào)非線性組合：

過(guò)渡過(guò)程的微分信號(hào)。

從而改造得到經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)為。

（4）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)與擾動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償

例如，對(duì)二階被控對(duì)象

w (t )為干擾作用。

將f （x1， x2，w（t），t）當(dāng)作未知的被擴(kuò)張的狀態(tài)變量：x3= f （x1， x2，w（t），t），則式（15）變?yōu)榫€性系統(tǒng)：

可以按照傳統(tǒng)構(gòu)造方法設(shè)計(jì)其狀態(tài)觀測(cè)器，為了消除函數(shù)w0(t)的影響，也可構(gòu)造擴(kuò)張觀測(cè)器：

由此，可組合出自抗擾控制器，該控制器具有以下特點(diǎn)：

（1）跟蹤微分器(TD)：安排輸入信號(hào)的過(guò)渡過(guò)程，并獲得較好的輸入信號(hào)微分值。

（2）非線性狀態(tài)誤差反饋：采用合適的非線性規(guī)律，將狀態(tài)觀測(cè)器反饋的信息轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的串聯(lián)型系統(tǒng)。

（3）擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)：自抗擾控制器的核心，對(duì)系統(tǒng)干擾進(jìn)行觀測(cè)、估計(jì)和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)模糊對(duì)象的線性化。

改造經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)。

自抗擾的意義就在于擾動(dòng)估計(jì)與補(bǔ)償能力。因此，凡是具有這種自動(dòng)估計(jì)補(bǔ)償擾動(dòng)能力的控制器都可以稱作“自抗擾控制器”。

自抗擾控制算法在船舶控制系統(tǒng)、伺服控制機(jī)構(gòu)、火電機(jī)組、精密機(jī)床加工、飛行器控制等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，并取得顯著效果和有效改進(jìn)，使控制算法日趨完善。

仿真分析

根據(jù)自抗擾控制器和PID控制器勻速前飛1m/s的X向?qū)Ρ葓D，可以看出PID控制器在2s左右時(shí)達(dá)到峰值1.6，其上升速度較快，但是超過(guò)了預(yù)期目標(biāo)0.6m/s。PID控制器和自抗擾控制器均在6s左右達(dá)到其預(yù)期目標(biāo)1附近，但是自抗擾的穩(wěn)態(tài)誤差相對(duì)PID來(lái)說(shuō)較小，并且整體控制更加平穩(wěn)。

根據(jù)Y向?qū)Ρ葓D，結(jié)合X向可以看出，小型無(wú)人直升機(jī)的縱向運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)橫向產(chǎn)生影響，即它們的橫縱通道存在耦合，PID控制器在5s時(shí)，Y向產(chǎn)生了一個(gè)-0.6m/s的偏差，而自抗擾控制器則一直較為平穩(wěn)，幾乎看不到X向變化對(duì)其的影響，可以說(shuō)自抗擾控制器有較好的解耦功能。

根據(jù)勻速前飛Z比圖，結(jié)合X向可以看出，在加速階段小型無(wú)人直升機(jī)的Z向會(huì)受到X向的影響。根據(jù)小型無(wú)人直升機(jī)飛行原理可知，這是由于主旋翼推力方向改變所造成的耦合，PID控制器在2s左右達(dá)到了最大偏差0.08m/s，而自抗擾控制器的最大控制偏差小于0.01m/s，說(shuō)明在Z向上，自抗擾控制器同樣可以取得良好的解耦效果。

綜上所述，對(duì)比PID控制器，一方面自抗擾控制器可以通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器取得較好的解耦控制效果，而PID控制器由于沒(méi)有解耦控制，在三個(gè)方向上的控制效果都不如自抗擾控制器；另一方面，自抗擾的控制偏差在三個(gè)方向上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PID控制器。通過(guò)上述的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比可以得出結(jié)論，自抗擾控制器的控制效果要優(yōu)于PID控制器。

總結(jié)

現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)需求對(duì)無(wú)人機(jī)性能要求越來(lái)越高，性能優(yōu)良的自動(dòng)駕駛儀對(duì)保證無(wú)人機(jī)性能發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法呈現(xiàn)明顯趨勢(shì)：

（1）傳統(tǒng)的單輸入單輸出控制方法不能很好地解決耦合、非線性、不確定系統(tǒng)的控制問(wèn)題。

（2）為了保證更好的動(dòng)態(tài)性能、魯棒性、抗干擾能力，無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法正從經(jīng)典的線性控制方法逐步發(fā)展為非線性的現(xiàn)代控制方法。

（3）現(xiàn)代控制理論的設(shè)計(jì)方法還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息量大和工程化難等許多問(wèn)題需要解決，還不能完全取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。

（4）目前多種控制方法相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)方式是比較實(shí)用的，已成為明顯的趨勢(shì)。 ■