鐘高偉,陳東生,王明光
無人機掛載攻擊型微小型空地導(dǎo)彈已成現(xiàn)代及未來戰(zhàn)場趨勢,為了進一步提高打擊能力及打擊精度,需將配備捷聯(lián)、框架式導(dǎo)引頭的微小型空地導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)角快速穩(wěn)定控制在零度,否則得到的導(dǎo)引頭輸出探測目標(biāo)信息不精確;另外,彈體滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定能減少俯仰、偏航三通道的強耦合,繼而提高制導(dǎo)精度.
導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)控制可視為高不確定性、非線性、快時變,強干擾的控制難題,以往工程所采用的常規(guī)PID控制器或其改進型開始顯得力不從心,尤其是對于彈翼展弦小的氣動軸對稱微小型空地導(dǎo)彈,其結(jié)構(gòu)特性的原因使得基于二回路PI的滾轉(zhuǎn)控制參數(shù)取值小,從而導(dǎo)致系統(tǒng)魯棒及抗擾性差.
近些年來國內(nèi)外針對空地導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)控制研究的文獻主要分為3類,在實用性及理論性上各有優(yōu)缺點.1)為滑模變結(jié)構(gòu)結(jié)合智能算法思想,如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法結(jié)合變結(jié)構(gòu)控制等,不僅能抑制變結(jié)構(gòu)中的抖振現(xiàn)象并優(yōu)化控制器參數(shù),而且還能穩(wěn)定且快速收斂到平衡點,但是由于其優(yōu)化迭代過程復(fù)雜且需離散計算等缺點限制其工程應(yīng)用;2)為魯棒控制,如模型參考自適應(yīng)、魯棒最優(yōu)控制等,能保證模型在高度不確定性下穩(wěn)定跟蹤指令,具有大范圍飛行包絡(luò)等優(yōu)點,但是其復(fù)雜的控制公式使得計算機軟件編程實現(xiàn)難度大,且系統(tǒng)可靠性不能得以保證;3)為現(xiàn)代控制論,如最優(yōu)控制思想、極點配置及狀態(tài)觀測器等,此類方法具有較好的動態(tài)特性,且設(shè)計過程簡單,但是其方法對模型約束嚴格,面對非線性時變控制對象時難以將其工程化.
因此,為了解決被控對象特性引發(fā)的控制難點以及滿足工程應(yīng)用性能指標(biāo),本文采用現(xiàn)代控制論中狀態(tài)估計的思想,將控制對象未建模部分、內(nèi)外干擾都歸結(jié)為對象的未知擾動,利用降階ESO[1]技術(shù)對其實時估計并進行前饋補償,對對象進行線性化處理,在簡化的標(biāo)稱模型基礎(chǔ)上利用現(xiàn)代控制論狀態(tài)反饋思想,結(jié)合最優(yōu)控制[2]即LQR方法設(shè)計控制器,形成的復(fù)合控制來完成滾轉(zhuǎn)通道穩(wěn)定及指令跟蹤.另外,傳統(tǒng)的LQR[3]方法依靠人為經(jīng)驗及仿真試湊選擇權(quán)陣會存在很大的隨機性及次優(yōu)解,而且模型狀態(tài)空間中B陣參數(shù)存在的不確定性攝動,導(dǎo)致Raccati方程[3]求解的反饋K陣在某些飛行包絡(luò)狀態(tài)下使得系統(tǒng)響應(yīng)發(fā)散,因此為了使得系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定,且動態(tài)特性較好,采用了具有指定閉環(huán)區(qū)間的LQR最優(yōu)穩(wěn)定度設(shè)計方法,并為了實現(xiàn)無靜差跟蹤控制,在LQR中引入了積分環(huán)節(jié).
滾轉(zhuǎn)通道彈體姿態(tài)動力學(xué)方程[4]簡化表示為
(1)
式中:Jx、Jy和Jz分別為滾轉(zhuǎn)、偏航和俯仰的轉(zhuǎn)動慣量;ωx、ωy和ωz分別為彈體角速度在彈體坐標(biāo)系中的分量;(Jy-Jz)(ωy-ωz)為慣性交感耦合;q為動壓;Sref為彈體參考面積;Lref為參考長度;mx為滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù).
令滾轉(zhuǎn)力矩為Mx=mxqSrefLref,由導(dǎo)彈的氣動及結(jié)構(gòu)特征可將其具體表示為
(2)
偏航運動對滾轉(zhuǎn)運動帶來的影響可以將其視為內(nèi)部已知干擾項.綜上所述,可將滾轉(zhuǎn)力矩表示成
(3)
其中導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)偏差及內(nèi)部擾動都存在于式(3)中的f中,Ma為馬赫數(shù),H為飛行高度,βx為側(cè)滑角.
由小擾動假設(shè)及姿態(tài)運動學(xué)[3],滾轉(zhuǎn)角擾動微分方程可簡化表示為
(4)
由于在姿態(tài)控制設(shè)計過程中偏航、滾轉(zhuǎn)運動分開獨立設(shè)計,故對于氣動軸對稱導(dǎo)彈初步設(shè)計時,可將俯仰角?視為足夠小,并去掉小量乘積tan?ωy,這樣處理也能保持好的精確性.因此,結(jié)合(1)、(3)和(4)得到滾轉(zhuǎn)通道二階模型:
(5)
式中,b17為滾轉(zhuǎn)舵效,b11為滾轉(zhuǎn)阻尼.
(6)
對于氣動軸對稱的導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)通道控制來說,目前工程上采用的是二回路姿態(tài)控制.內(nèi)回路是角速率反饋的阻尼回路,其反饋系數(shù)為kω;外回路采用基于角位置反饋的控制回路,為了使控制回路具有較充裕的裕度及較好的控制品質(zhì),控制器采用“比例控制為主,積分控制為輔”的控制策略,即PI控制.
(7)
基于某一特征點令外回路截止頻率ωc為4 rad/s,由設(shè)計原則式(7)計算阻尼回路反饋系數(shù)kω,得到微小型導(dǎo)彈和大型導(dǎo)彈阻尼回路
繼而設(shè)計前向串聯(lián)PI控制器參數(shù)以此滿足階躍響應(yīng)的穩(wěn)定性和快速性要求,得到PI控制參數(shù),如表1 所示.
表1 PI控制參數(shù)Tab.1 PI control parameters
根據(jù)反饋控制理論,在滿足同樣的頻率及時域指標(biāo)時,內(nèi)回路反饋阻尼系數(shù)kω越大越能抑制被控對象的不確定性和外部擾動對控制品質(zhì)的影響.因此,應(yīng)用二回路姿態(tài)控制方法,常規(guī)型彈和微小型彈在控制品質(zhì)上表現(xiàn)不同,面對同樣的投彈條件、陣風(fēng)干擾及氣動數(shù)據(jù)拉偏,常規(guī)型導(dǎo)彈能保持較好的動態(tài)特性及抗擾能力,而微小型導(dǎo)彈抗擾能力及抑制不確定能力較差,大幅度脫離了控制指令.
由圖1可知,在地面仿真下內(nèi)部強干擾及外界干擾使得滾轉(zhuǎn)角偏離指令響應(yīng),動態(tài)響應(yīng)效果差,從而影響制導(dǎo)精度.在實際飛行過程中,由實驗得到的氣動數(shù)據(jù)與真實氣動數(shù)據(jù)有差別,彈體受到環(huán)境制約的因素更大,再加上量測機構(gòu)及執(zhí)行機構(gòu)帶來的延時和噪聲會對滾轉(zhuǎn)通道控制帶來更加嚴峻的影響,因而應(yīng)用常規(guī)PID得到的控制品質(zhì)很難滿足工程需求,其魯棒性差且抗干擾作用有限.針對該問題,自抗擾中的擴張狀態(tài)觀測器即ESO提供了很好的解決思路,利用降階ESO估計出被控對象的內(nèi)部擾動及外界擾動即“復(fù)合擾動”,然后進行前饋補償,簡化了被控對象模型,利于后續(xù)控制器設(shè)計.
圖1 6DOF仿真微小型導(dǎo)彈指令響應(yīng)Fig.1 6 DOF simulation of command response
由文獻[1-2]可知,在某些狀態(tài)量可測的情況下,線性降階ESO更為實用,與非線性ESO相比,結(jié)構(gòu)簡單,其中的參數(shù)與實際工程中的帶寬概念相匹配,有利于參數(shù)的調(diào)試與閉環(huán)控制系統(tǒng)帶寬的匹配.
考慮到微小型導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)通道滾轉(zhuǎn)角信息由陀螺輸出,其值可測,因而將式(5)改寫為
(8)
式中fωx=fMx+b11ωx+Δb17δx,表示作用為系統(tǒng)的復(fù)合干擾,包括內(nèi)外干擾、彈體自身小阻尼項b11ωx及參數(shù)不確定范圍Δb17δx乘積項.經(jīng)此處理,可將式(8)中的b17可視為標(biāo)稱值.
由文獻[1]可知,滾轉(zhuǎn)通道的降階ESO設(shè)計公式為
(9)
將式(8)~(9)進行拉式變換,化簡可得
(10)
由此可見,降階ESO可視為一階慣性環(huán)節(jié),其時間常數(shù)β-1可視為觀測器帶寬相關(guān)值,且能得出β與降階ESO實際觀測帶寬具有相關(guān)性.
(11)
其中Δδxc為控制器輸出的理論舵偏量.復(fù)合干擾進行前饋補償后,且忽略執(zhí)行機構(gòu)的影響,被控對象轉(zhuǎn)化為一個積分器,如圖2所示,圖中虛線部分即轉(zhuǎn)化為一個積分器.
對式(9)進行拉氏變換,得到關(guān)于估計干擾的傳遞函數(shù)
(12)
圖2 降階ESO補償干擾控制回路Fig.2 Reduced-order ESO compensation control loop
(13)
由式(13)可知,兩者之間在整個頻率段,幅值及相位存在一定的差別,且ESO參數(shù)β的取值也會給模型帶來差異.代入相關(guān)的數(shù)據(jù),降階ESO參數(shù)β分別為10、20、30時其開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相特性曲線與簡化后線性模型作對比,如圖3所示.
圖3 開環(huán)模型幅相頻域特性對比Fig.3 Open loop model amplitude and phase frequency
通過圖3可知,簡化模型與實際模型在中低頻段幅值特性近似相同,但是相位特性存在較大差別,可以看出在觀測器及執(zhí)行機構(gòu)的作用下在中低頻段給系統(tǒng)帶來了相位滯后,降低了相位裕度,使得系統(tǒng)穩(wěn)定性降低.因此,需進一步考慮ESO及執(zhí)行機構(gòu)的存在給系統(tǒng)帶來的延時,以及系統(tǒng)的實際穩(wěn)定裕度要小于簡化模型等問題.
為了便于分析及設(shè)計,結(jié)合式(8)將式(5)改寫為如下形式:
(14)
(15)
式(15)可視為標(biāo)稱的線性時不變系統(tǒng),即簡化后的線性二階積分模型,其特性已做出具體分析.采用簡化模型后,才能滿足最優(yōu)控制線性二次型LQR方法設(shè)計控制器的苛刻條件,其次為閉環(huán)系統(tǒng)的可控可觀性、穩(wěn)定性及魯棒性提供更好的分析手段.
針對標(biāo)稱系統(tǒng)(15)而言,采用線性二次型LQR進行控制,設(shè)計出控制舵偏量uc1,使得目標(biāo)函數(shù)J取得最小值.其中矩陣Q和R用來平衡狀態(tài)量和輸入量的權(quán)重,對閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大.一般Q、R陣取對角陣,目前普遍采用仿真試湊法來選擇Q、R陣,這樣解算出的K陣實際有人為因素的影響,容易陷入局部次優(yōu)解.另外,基于單點調(diào)試下的控制參數(shù)在面對大范圍投彈飛行包絡(luò)容易失效,甚至響應(yīng)發(fā)散.
因此,為了保證閉環(huán)穩(wěn)定性,并且提高其動態(tài)性能,所以本文選擇一種加權(quán)矩陣的最優(yōu)穩(wěn)定度設(shè)計,在這種策略中,希望所有的閉環(huán)極點均位于s負半平面的s=-α線的左側(cè),其中α>0,這樣就定義了一個新的指標(biāo)函數(shù)
(16)
其中Q為n×n半正定對稱常數(shù)矩陣,R為r×r型正定時對稱矩陣.引入一個新的狀態(tài)變量φ(t),使得φ(t)=eαtx(t),且新的控制量ν(t)=eαtu(t),代入式(15),則原系統(tǒng)的狀態(tài)方程為
(17)
此時指標(biāo)函數(shù)式(16)變?yōu)?/p>
(18)
為了進一步提高系統(tǒng)動態(tài)性能,實現(xiàn)無靜差跟蹤控制,在上述LQR中再引入積分環(huán)節(jié),其結(jié)構(gòu)如圖4所示.
圖4 帶積分項的LQR控制結(jié)構(gòu)圖(標(biāo)稱系統(tǒng))Fig.4 LQR control loop with integralitem(nominal system)
此時,將式(17)模型進一步擴展為
(19)
指標(biāo)函數(shù)式(18)繼續(xù)變?yōu)?/p>
(20)
(21)
(22)
故得到標(biāo)稱狀態(tài)下簡化模型的控制舵偏量及基于降階ESO的復(fù)合干擾補償量后,閉環(huán)系統(tǒng)復(fù)合控制輸入量為
(23)
容易判斷式(14)中(Ap,Bp,Cp)可控可觀測,根據(jù)文獻[5],若被控系統(tǒng)可控可觀測,由分離特性原理可知,閉環(huán)系統(tǒng)中狀態(tài)反饋與降階ESO觀測器可以相互獨立分開進行設(shè)計.
引理1.?β>0,且(Ap,Cp)可觀,使得閉環(huán)系統(tǒng)(14)引入降階ESO作為觀測器后系統(tǒng)BIBO穩(wěn)定.
證明.
(24)
(25)
由線性系統(tǒng)原理即文獻[6],引入如下定理.
定理1.針對于系統(tǒng)在李亞普諾夫意義下的穩(wěn)定的充分必要條件是 陣的實部為零的特征值對應(yīng)的若當(dāng)塊為一階塊,其余特征值均具有負實部.
定理2.系統(tǒng)BIBS穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)全體可控模式收斂,系統(tǒng)BIBO穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)全體可控可觀模式收斂.
通常,時不變系統(tǒng)判斷各種意義下的穩(wěn)定性,一般要求出A的特征值,對其可控、可觀性進行研究,再根據(jù)定理作判斷.因為系統(tǒng)的可控性、可觀性與傳函陣零、極點的對消或約去模態(tài)有聯(lián)系,因此可以不去判別各特征值的可控可觀性,直接計算C(sI-A)-1,(sI-A)-1B,C(sI-A)-1B.由計算結(jié)果去判別.首先,考慮新系統(tǒng)式(24)是否可控,即(Apk,Bpc)是否為滿秩。由可控性矩陣
可知,可控性矩陣其秩rank(Uk)=3,即當(dāng)b17≠0時,新系統(tǒng)式(24)可控.
且由
(26)
首先由單個特征點進行整個控制回路初步設(shè)計,得到相應(yīng)的控制參數(shù),進行合理的優(yōu)化及調(diào)試,能滿足階躍響應(yīng)穩(wěn)定性及快速性要求,且能夠留出足夠的穩(wěn)定裕度及延遲裕度.接著,在給定初始投彈條件下,進行全彈道下仿真,以此來測試設(shè)計完成的控制回路是否滿足戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)及控制性能要求.
表2 氣動、結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Aerodynamic、structured parameters
為了使閉環(huán)極點都在負半平面s=-4的左側(cè),因此取α=4.將數(shù)據(jù)代入式(19),固定R=2 000,不斷調(diào)整Q陣,得到一系列控制反饋參數(shù),經(jīng)過仿真,最后選取一組由較大穩(wěn)定裕度及較好控制品質(zhì)的參數(shù).
有仿真結(jié)果可知,Q陣中對角線q1、q2數(shù)值的增加意味著對指令誤差項約束增強,求解所對應(yīng)的K陣中k1、k2數(shù)值也會變大,此時控制帶寬增加,穩(wěn)定裕度有所下降,而q3數(shù)值增加意味著對角速度約束增強,放寬角度約束,所解k3數(shù)值增加,此時控制帶寬下降,穩(wěn)定裕度有所增加.
綜合考慮,遵循Q陣選取影響系統(tǒng)時域及頻域指標(biāo)的定性分析,經(jīng)過多次調(diào)試,確定最終合適的加權(quán)陣后,經(jīng)過式(18)黎卡提方程迭代計算后,得到控制反饋參數(shù)
圖5 不同Q陣下的單位階躍響應(yīng)Fig.5 Step response with different Q matrix
由此進一步計算出狀態(tài)反饋后被控對象的主導(dǎo)極點為p1,2=-9.689 9±i2.705 0.從時域角度來說,響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性都得以保證;從頻率角度來說,相位裕度71.8°,幅值裕度18.6 dB,穩(wěn)定裕度滿足設(shè)計要求.繼而計算出閉環(huán)回路帶寬為1.150 4 Hz.
對于降階ESO參數(shù)β的取值應(yīng)遵循觀測器響應(yīng)速度比狀態(tài)反饋系統(tǒng)的響應(yīng)速度快的原則,且線性ESO中β與觀測帶寬有直接聯(lián)系.降階ESO觀測器估計帶寬配置在8.301 6較為合適,便可由計算及仿真求得ESO參數(shù)β為10.5.
式(8)中內(nèi)部總和干擾為ds=300sint,并在5~10 s內(nèi)加入一個近似1°的外部滾轉(zhuǎn)干擾力矩.另外,仿真時給系統(tǒng)加入30ms的延遲,以此測試控制回路抗延時特性,并與常規(guī)PID控制方法作對比.仿真結(jié)果如圖6~8所示.
由圖6和8可知,應(yīng)用二回路PI控制法魯棒性及抗干擾能力弱,擾動出現(xiàn)后,控制舵偏量小,易脫離響應(yīng)指令,而基于降階ESO的LQR控制在出現(xiàn)擾動后能迅速跟蹤上響應(yīng)指令,且能抑制內(nèi)部出現(xiàn)的不確定性.圖7中降階ESO能快速估計出復(fù)合干擾量,收斂快,且誤差小.
圖7 降階ESO估計干擾及估計誤差Fig.7 Estimated interference and error of reduced-order ESO
圖8 控制舵偏量Fig.8 Control rudder deviation
掛載在某無人機上進行投彈,其投彈條件為:投放速度90 m/s,投放高度5 000 m,微小彈距離目標(biāo)6 000 m時投放.約束條件:存在順風(fēng)40 m/s,其所用氣動參數(shù)均由風(fēng)洞試驗得到,仿真時對各氣動及結(jié)構(gòu)參數(shù)進行拉偏,得到的控制模型為偏差模型,且在不同風(fēng)行高度加入側(cè)向常值風(fēng)干擾.
圖9 降階ESO估計干擾量Fig.9 Reduced-order ESO estimated interference
圖10 滾轉(zhuǎn)角響應(yīng)Fig.10 Roll angle response
圖11 控制舵偏量Fig.11 Control rudder deviation
具體數(shù)值為:初始姿態(tài)角?0=5°,γ0=6°,ψ0=4°;舵效力矩系數(shù)拉偏30%;靜穩(wěn)定性拉偏-10%;動導(dǎo)數(shù)拉偏30%;常值拉偏-0.005;力系數(shù)拉偏10%;質(zhì)心拉偏-15 mm、5 mm、5 mm;轉(zhuǎn)動慣量分別拉偏-20%、-10%、-10%,并考慮量測器件和執(zhí)行機構(gòu)的延遲50 ms.
由上述仿真結(jié)果可以看出,在全彈道6DOF下基于降階ESO的改進型LQR相較于二回路PI有很好的控制效果,其抑制不確定性及抗擾能力較之前都有提升,具有實際的工程價值.
本文針對小展弦比彈翼的軸對稱微小型空地導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制問題,其結(jié)構(gòu)特性如轉(zhuǎn)動慣量較小等因素帶來的常規(guī)PID控制應(yīng)用的局限性,如魯棒性差、抗干擾能力弱等缺點,設(shè)計了一種基于降階ESO的滾轉(zhuǎn)通道改進線性二次型復(fù)合控制方法.仿真結(jié)果表明,降階ESO能很好的估計出系統(tǒng)的復(fù)合干擾并將其實時補償?shù)?,針對簡化的?biāo)稱系統(tǒng)來設(shè)計改進線性二次型的最優(yōu)控制器,使得系統(tǒng)既能穩(wěn)定且快速的跟蹤指令響應(yīng),也能具有強魯棒性及抗干擾能力,克服了常規(guī)PID控制的缺陷,且能應(yīng)對不同飛行包絡(luò)及多變環(huán)境下的不利影響.
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