一種飛行器陣風(fēng)減緩自適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種飛行器陣風(fēng)減緩自適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)，特別是一種飛行器陣風(fēng)減 緩自適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)，屬于飛行器控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了降低運輸機(jī)對環(huán)境的影響及提高飛行器的效率，未來的解決方案為大展弦比 輕重量飛行器。對于高空長航時無人機(jī)來說，由于高空低密度以及其低翼載特性決定其必 須采用大展弦比低重量構(gòu)型。這兩類飛行器的剛體運動頻率與結(jié)構(gòu)彈性振動頻率接近，當(dāng) 遇到陣風(fēng)時將嚴(yán)重激發(fā)其結(jié)構(gòu)的振動，這將大大降低乘坐品質(zhì)（對于運輸機(jī)來說）和影響 操縱性，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
[0003] 當(dāng)陣風(fēng)信息和系統(tǒng)的部分信息已知時，對于擾動補償來說前饋控制優(yōu)于一般反饋 控制。理想情況下，前饋控制可完全消除可測擾動的影響。采用前饋控制時擾動響應(yīng)與控 制補償之間無時間延遲。
[0004] 機(jī)載激光探測傳感器（Light detection and ranging, LIDAR)的發(fā)明與使用為應(yīng) 用前饋控制器進(jìn)行陣風(fēng)載荷減緩提供了前提。還有些其它的儀器，如霍尼韋爾的IntuVue 三維天氣雷達(dá)，也可用于進(jìn)行陣風(fēng)信息的采集。
[0005] 在現(xiàn)有的前饋控制中，如圖1所示，圖中wg(t)為飛行器前方陣風(fēng)，^(?)為激光探 測傳感器探測到的陣風(fēng)信號，是 Wg(t)的近似，H為陣風(fēng)擾動與飛行器響應(yīng)之間的傳遞函數(shù)， G為飛行器控制作動器與其響應(yīng)之間精確的傳遞函數(shù)，C)是-G的近似，G。為前饋控制器，自 適應(yīng)濾波器為前饋控制器G。提供系數(shù)。u(t)和1! 3(〇分別為中間信號，x(t)和y(t)分別 為擾動通道和控制通道的輸出響應(yīng)，e(t)為響應(yīng)誤差，是x(t)與y(t)的和。在該自適應(yīng)前 饋控制中采用飛行器在控制器作用下的響應(yīng)，即e(t)來作為前饋控制器系數(shù)的計算輸入， 這樣前饋控制器對飛行器的補償是基于閉環(huán)響應(yīng)的，補償作用偏小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種飛行器陣風(fēng)減緩自 適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)，采用辨識方法辨識出控制通道的離散傳遞函數(shù)，基于該離散傳遞函數(shù) 構(gòu)建擾動辨識通道；采用擾動辨識通道辨識出的擾動作為前饋控制器系數(shù)的反饋計算輸 入，并利用FIR(有限脈沖響應(yīng)）模型來設(shè)計前饋控制器，從而增大了補償作用，提高了控制 效率，最大程度上滿足了飛行器陣風(fēng)減緩自適應(yīng)前饋控制的需求。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種飛行器陣風(fēng)減緩自適應(yīng)前饋控制系統(tǒng)，包括擾動 通道、控制通道和擾動辨識通道；
[0008] 所述擾動通道接收陣風(fēng)信號Wg (t)，并輸出擾動響應(yīng)信號X (t)，控制通道接收陣風(fēng) 測試信號火(〇,并輸出控制響應(yīng)信號y⑴；
[0009] 所述擾動辨識通道接收響應(yīng)誤差信號e (t)，輸出擾動響應(yīng)辨識信號nO并作為反 饋信號輸入給控制通道，所述響應(yīng)誤差信號e(t)為擾動通道的輸出響應(yīng)x(t)和控制通道 的輸出響應(yīng)y(t)之和，所述擾動辨識通道由公式：
[0011] 給出，其中q 1為延遲算子，q 1IiU) = U (t-ι)，u (t)為飛行器控制作動器輸入信 號，AQ1)和BQ1)由公式：
[0013] 給出，為飛行器控制作動器輸入與飛行器控制通道響應(yīng)之間精確傳遞函數(shù)G 的近似函數(shù)。
[0014] 所述飛行器控制作動器輸入與飛行器控制通道響應(yīng)之間精確傳遞函數(shù)G的近似 函數(shù)_?|具體過程為：
[0015] (i)在飛行器配平狀態(tài)下，向飛行器的控制作動器輸入測試信號u (t)來操縱控制 舵面，記錄飛行器控制通道的響應(yīng)信號y(t);
[0016] (ii)以u(t)為輸入，y(t)為輸出，辨識飛行器控制作動器輸入與飛行器控制通 道響應(yīng)信號之間精確傳遞函數(shù)G的近似函數(shù)_參，具體由公式：.V(Y) ? -G(i/)?(〇給出，其中 G > -Gr。
[0017] 所述辨識通過MATLAB軟件里的tfest函數(shù)完成。
[0018] 所述測試信號u(t)采用頻率隨時間增加的正弦信號；具體由公式：
[0019] u (t) = u〇+uA (2 π ft)
[0020] 給出，其中u。是常值，uA為輸入信號的幅值，f為t時刻的瞬間頻率，由公式：
[0021] f = f〇t
[0022] 給出，其中f。是常值。
[0023] 所述控制通道包括激光探測傳感器、濾波器、自適應(yīng)濾波器、前饋控制器和控制 作動器；
[0024] 所述激光探測傳感器接收輸入的陣風(fēng)測試信號Wg(t)，并將探測到的陣風(fēng)信號 七⑴發(fā)送給前饋控制器和濾波器0，所述濾波器#以測得的陣風(fēng)信號A⑴為輸入，輸出 信號u a(t)給自適應(yīng)濾波器，自適應(yīng)濾波器根據(jù)接收到的輸出信號ua(t)和擾動響應(yīng)辨識信 號離)，計算前饋控制器的系數(shù)并輸出給前饋控制器，前饋控制器根據(jù)接收到的系數(shù)和陣 風(fēng)信號 <⑴，產(chǎn)生前饋控制信號u (t)輸出給控制作動器和擾動辨識通道，控制作動器根 據(jù)接收到的前饋控制信號u(t)進(jìn)行前饋控制。
[0025] 所述前饋控制器為基于FIR模型的前饋控制器。
[0026] 所述前饋控制器離散傳遞函數(shù)G。(Z)具體由公式：
[0028] 給出，其中Bk(Z)為基函數(shù)，LkS系數(shù)來自于自適應(yīng)濾波器，η為預(yù)先給定的前饋 控制器階數(shù)，ζ為離散傳遞函數(shù)變量；
[0029] 基函數(shù)Bk(Z)由公式：
[0030] Bk (ζ) = ζ k，k = 1，2, · · ·，η
[0031] 給出。
[0032] 所述Lk由自適應(yīng)算法得到，求得時間步N對應(yīng)的每個基函數(shù)輸出的系數(shù)向量L (N) =[L1 (N)，L2 (N)，· · ·，Ln (N)]具體步驟為：
[0033] (1)初始化系數(shù)向量L(O) = [0,0，· .·，0]，Ρ(0) = δ 1I,其中δ為常數(shù)，δ大于 〇, I為單位矩陣；
[0034] (2)在時間步N時，計算每個基函數(shù)輸出的系數(shù)L(N)，具體由公式：
[0036] 給出，其中k(N)為增益向量，由公式：
[0038] 給出，π (N)由公式：
[0039] Ji (N) = P(N-I) Φ (N)
[0040] 給出，P(N)為反相關(guān)矩陣，由公式：
[0041] P(N) = λ 1P(N-I)-A 1Ii(N) ΦT(N) P (N-I)
[0042] 給出，λ是遺忘因子，〇〈 λ彡1 ; 〇(#) = ['(#)，心是時間步N時 FIR模型中各個基函數(shù)的輸出；
[0043] ε (N)由公式：
[0044] ε (N) = e (N)-Lt (N-I) Φ (N)
[0045] 給出，e (N)為在時間步N時飛行器的響應(yīng)。
[0046] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0047] 本發(fā)明中的系統(tǒng)利用控制通道的傳遞函數(shù)來構(gòu)建擾動辨識通道，并通過擾動辨識 通道辨識到的擾動值作為反饋值，用于前饋控制器系數(shù)的解算，與現(xiàn)有方法中利用擾動通 道響應(yīng)信號與控制通道響應(yīng)信號之和，即飛行器的閉環(huán)響應(yīng)作為反饋值相比，增大了補償 作用，提高了控制效率。
【附圖說明】
[0048] 圖1為現(xiàn)有的前饋控制框圖；
[0049] 圖2為本發(fā)明陣風(fēng)減緩控制框圖；
[0050] 圖3為本發(fā)明采用的FIR控制器模型示意圖；
[0051] 圖4為本發(fā)明實施例中的二維翼型模型圖；
[0052] 圖5為本發(fā)明實施例中正弦信號示意圖；
[0053] 圖6為本發(fā)明實施例中翼型的響應(yīng)示意圖；
[0054] 圖7為本發(fā)明實施例中" Ι-cos "陣風(fēng)示意圖；
[0055] 圖8為"Ι-cos"陣風(fēng)下的控制器響應(yīng)示意圖；
[0056] 圖9為" 1-cos"陣風(fēng)下控制舵面的偏轉(zhuǎn)示意圖；
[0057] 圖10為本發(fā)明實施例中Von Κ?ΓΠ??η陣風(fēng)示意圖；
[0058] 圖11為Von Κ?ΓΠ??η陣風(fēng)下翼型俯仰開環(huán)響應(yīng)和采用FIR_e模型設(shè)計的控制器控