王湘

【摘 要】推力矢量技術(shù)能夠直接改變飛行器的推力大小和推力方向，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代飛行器高機(jī)動(dòng)性能的重要技術(shù)方案。由于推力矢量飛行器具有飛行空域大、飛行動(dòng)作復(fù)雜、飛行任務(wù)多樣化等特點(diǎn)，導(dǎo)致其控制系統(tǒng)的非線性強(qiáng)并且外部環(huán)境變化劇烈。因此，如何設(shè)計(jì)能夠應(yīng)對(duì)大不確定性的控制方案是推力矢量飛行器控制設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，推力矢量飛行器具有控制輸入冗余的特性，并且不同控制輸入的優(yōu)先級(jí)不同，如何合理有效的設(shè)計(jì)控制分配方案是其控制設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】推力矢量飛行器；自抗擾控制設(shè)計(jì)；控制分配

推力矢量飛行器往往需要在大功角等具有大不確定性和強(qiáng)非線性的區(qū)域高質(zhì)量地完成飛行動(dòng)作，因此，如何應(yīng)對(duì)大范圍不確定性是推力矢量飛行器控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。另一方面，推力矢量飛行器包含多種控制輸入并且不同控制輸入具有不同物理特性。因此，控制輸入分配也是推力矢量飛行器控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。為了對(duì)付大范圍的不確定性，本文引入虛擬控制量的概念，采用自抗擾控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行過(guò)程中的總擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償。進(jìn)一步，考慮控制輸入的物理約束條件，提出了保證虛擬控制量達(dá)到設(shè)計(jì)值并使得發(fā)動(dòng)機(jī)能耗最小的控制輸入分配方案。通過(guò)建立對(duì)應(yīng)的優(yōu)化問(wèn)題，嚴(yán)格分析其最優(yōu)解的性質(zhì)并提出了有限步求解最優(yōu)控制分配輸入量的算法。在仿真環(huán)境下，提出的控制算法有效實(shí)現(xiàn)了推力矢量飛行器大功角區(qū)域的機(jī)動(dòng)動(dòng)作，并能應(yīng)對(duì)大范圍的氣動(dòng)參數(shù)不確定性.

一、重要性

推力矢量飛行器具有控制量冗余的特性，如何合理規(guī)劃控制分配方案是其控制設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。針對(duì)舵面控制輸入冗余的情況，已有的研究提出了一些控制分配方法，包括鏈?zhǔn)竭f增法（daisychaining）、直接分配法（directallocation）、廣義逆方法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法等。鏈?zhǔn)竭f增法考慮了不同控制量的工作效率與能耗，通過(guò)優(yōu)先分配高效低能耗的控制量，提出逐級(jí)分配控制量的方案。直接分配法給出了在控制受限情況下的控制可行集，再通過(guò)分析可行解集合獲得最接近需求的控制分配方案。廣義逆方法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化準(zhǔn)則求解控制分配方案。由于推力矢量飛行器的推力大小可調(diào)節(jié)并且具有相對(duì)能耗大、響應(yīng)速度慢等不同于舵面控制輸入的特點(diǎn)，因此已有的只針對(duì)飛行器舵面輸入冗余的控制分配方法不能直接運(yùn)用于推力矢量飛行器的控制分配.推力矢量飛行器控制分配問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何合理分配不同優(yōu)先級(jí)的控制輸入，同時(shí)，如何快速求解分配方案進(jìn)而滿足控制輸入的實(shí)時(shí)性是控制分配中急需解決的問(wèn)題.

二、自抗擾控制的起源及原理

自抗擾控制是韓京清先生在基于誤差來(lái)消除誤差并吸取現(xiàn)代控制理論成就的基礎(chǔ)上，于1998年正式提出的。ADRC是一種可以解決具有大范圍及復(fù)雜結(jié)構(gòu)（非線性、時(shí)變、耦合等）不確定系統(tǒng)控制問(wèn)題的有效方法。其核心思想是以簡(jiǎn)單的“積分器串聯(lián)型”作為反饋的標(biāo)準(zhǔn)型，把系統(tǒng)動(dòng)態(tài)中異于標(biāo)準(zhǔn)型的部分視為“總擾動(dòng)”（包括內(nèi)擾和外擾），對(duì)于“總擾動(dòng)”進(jìn)行估計(jì)，并主動(dòng)補(bǔ)償“總擾動(dòng)”對(duì)系統(tǒng)的影響，從而把充滿擾動(dòng)、不確定性和非線性的被控對(duì)象線性化為標(biāo)準(zhǔn)型，使得控制系統(tǒng)的涉及從復(fù)雜到簡(jiǎn)單、從抽象到直觀。

ADRC主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)，分別是：跟蹤微分器（trackingdifferentiator，TD）、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器（extendedstateobserver，ESO）、狀態(tài)誤差反饋（stateerrorfeedback，SEF）。在ADRC的具體應(yīng)用中可以根據(jù)這三個(gè)部分的結(jié)構(gòu)不同分為很多種不同的形式，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，基于這一框架下可以根據(jù)具體對(duì)象的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的ADRC，基于系統(tǒng)整體上可以分為非線性和線性兩大類，ADRC大致可以分為非線性ADRC（nonlinearADRC，NADRC）和線性ADRC（linearADRC，LADRC）。

三、優(yōu)化措施

（一）自抗擾的應(yīng)用

化工、煉油、冶金、電站、制藥和造紙等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及其他實(shí)際系統(tǒng)廣泛存在著時(shí)滯現(xiàn)象，如狀態(tài)時(shí)滯、輸入時(shí)滯、傳輸時(shí)滯或輸出測(cè)量時(shí)滯、容積時(shí)滯等。由于時(shí)滯的存在，使得被控量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，產(chǎn)生明顯的超調(diào)和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

由于ADRC不依賴于精確的對(duì)象模型，并具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛而深入的應(yīng)用研究，如非圓車削中快速刀具伺服系統(tǒng)的精密跟蹤控制、無(wú)刷直流伺服電機(jī)的低速摩擦補(bǔ)償、典型分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)，機(jī)器人無(wú)標(biāo)定手眼協(xié)調(diào)、異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、微機(jī)電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystems，MEMS）或微機(jī)械陀螺儀、化工過(guò)程精餾塔、飛行器控制、剛體航天器姿態(tài)跟蹤、永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)、超導(dǎo)加速器諧振腔控制、化工過(guò)程連續(xù)攪拌反應(yīng)釜（continuousstirredtankreactor，CSTR）、電站機(jī)爐協(xié)調(diào)控制、氣化爐控制系統(tǒng)等。（時(shí)滯自抗擾控制綜述王麗君）。選擇自抗擾控制器控制對(duì)象時(shí)，需要知道對(duì)象的階數(shù)。雖然自抗擾控制器是一種無(wú)模型控制器，但是這里所說(shuō)的無(wú)模型并非指沒(méi)有模型，而是針對(duì)所有對(duì)象都具有一個(gè)普遍的、共性的模型。

（二）關(guān)于控制技術(shù)改良模型的基本架構(gòu)

其改良模型的基本架構(gòu)包括遙控器、飛控、電調(diào)、電機(jī)、機(jī)架、正反槳葉、電池、GPS、夜航燈和防撞圈等。其中遙控器是向飛控發(fā)出信號(hào)實(shí)現(xiàn)飛；飛控是核心，它是飛行器的大腦，來(lái)保持自身穩(wěn)定飛行，接收遙控器發(fā)出的信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給電調(diào)來(lái)告訴它將如何飛行；電調(diào)是飛控的控制信號(hào)，其轉(zhuǎn)變成電流的大小，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其中包括動(dòng)力裝置、機(jī)翼、機(jī)身、起落裝置尾翼組成。動(dòng)力裝置是在動(dòng)力裝置上，主要用來(lái)產(chǎn)生力量，其包括拉力和推力，使模型機(jī)前進(jìn)。其次還可為機(jī)身上的其他用儲(chǔ)存電量的裝置?，F(xiàn)在飛機(jī)動(dòng)力裝置應(yīng)用較廣泛的有：航空活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)加螺旋槳推進(jìn)器、渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。除了發(fā)動(dòng)機(jī)本身，動(dòng)力裝置還包括一系列保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的系統(tǒng)。機(jī)翼的主要功用是產(chǎn)生升力，以支持飛機(jī)在空中飛行，同時(shí)也起到一定的穩(wěn)定和操作作用。在機(jī)翼上一般安裝有副翼和襟翼，進(jìn)行對(duì)副翼的操作可以使機(jī)身實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)操作襟翼可以提升升力，加大升力。在機(jī)翼上還可安裝核心機(jī)，起落時(shí)用的架子。在不同用途的飛行機(jī)上其機(jī)翼形狀、大小也各有不同。機(jī)身的主要主要用處是能承載東西，其中包括乘客，物品，和一些設(shè)備，可以將飛機(jī)的其他部件如連接成一個(gè)整體。起落裝置是飛機(jī)的起落架大都由減震支柱和機(jī)輪組成，功能是能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起飛，平穩(wěn)下降，安全著地和滑翔，地面滑行和停放時(shí)支撐飛機(jī)。尾翼包括水平和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可動(dòng)的升降舵組成，有的高速飛機(jī)將水平安定面和升降舵合為一體成為全動(dòng)平尾。垂直尾翼中包括固定翼尾垂直的和能動(dòng)性的裝置。尾翼的作用是操縱機(jī)身的視角和偏俯度，進(jìn)而能確保機(jī)身能平穩(wěn)地飛行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊曉峰，鄭瓊林.基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（18）：59-65.