杜立夫 蔡高華 黃萬偉 王丹曄

北京航天自動控制研究所，北京100854

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高超聲速再入飛行器抗飽和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

杜立夫 蔡高華 黃萬偉 王丹曄

北京航天自動控制研究所，北京100854

針對高超聲速再入飛行器縱向靜不穩(wěn)定模型，在考慮氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和非線性特性的情況下，研究了一種基于補(bǔ)償方案的抗飽和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法把系統(tǒng)輸入飽和特性視為不確定性，采用H∞回路成形技術(shù)設(shè)計(jì)了標(biāo)稱控制器；然后針對標(biāo)稱控制器與被控對象所組成的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償器設(shè)計(jì)；最后基于高超聲速再入飛行器縱向靜不穩(wěn)定模型驗(yàn)證了該補(bǔ)償方案的有效性。 關(guān)鍵詞 高超聲速；再入飛行器；輸入飽和；扇形界；線性矩陣不等式；抗飽和補(bǔ)償器

飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和非線性特性可能是最需要關(guān)注和考慮的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和特性會降低控制系統(tǒng)的性能，甚至使系統(tǒng)失穩(wěn)。針對此類問題，設(shè)計(jì)抗飽和補(bǔ)償器是一種較常見的方法。抗飽和補(bǔ)償方法在忽略飽和非線性的情況下設(shè)計(jì)一個標(biāo)稱控制器，然后設(shè)計(jì)抗飽和補(bǔ)償器來減小忽略飽和特性對閉環(huán)系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。采用該方法可以在考慮控制輸入飽和特性的情況下保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到期望的設(shè)計(jì)需求。

早期的抗飽和控制技術(shù)一般缺少嚴(yán)密的穩(wěn)定性分析與清晰的系統(tǒng)性能分析，并且控制器求解過程比較繁瑣[1-2]。文獻(xiàn)[3]采用擴(kuò)展的圓準(zhǔn)則給出了一種基于線性矩陣不等式的靜態(tài)補(bǔ)償算法，但是該方法只是針對開環(huán)穩(wěn)定系統(tǒng)提出的，限制了其工程適應(yīng)性，但是對于系統(tǒng)靜不穩(wěn)定的情況，無法保證系統(tǒng)的全局穩(wěn)定[4-5]。文獻(xiàn)[6]針對穩(wěn)定模型設(shè)計(jì)了基于LMI的動態(tài)補(bǔ)償器，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定，并保證系統(tǒng)輸出對外部干擾具有L2增益的魯棒性。Hencey等[7-9]利用LMI區(qū)域法研究了抗飽和穩(wěn)定問題。

本文針對高超聲速再入飛行器引入了抗飽和補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。首先，給出高超聲速再入飛行器的縱向通道模型，其次，采用扇形界約束條件描述了控制輸入的飽和特性，并進(jìn)行了考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和特性情況下的系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性與性能分析，給出了補(bǔ)償控制器的存在條件與構(gòu)造方法，最后，采用高超聲速再入飛行器縱向通道動力學(xué)模型對該方法的合理性與有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 高超聲速飛行器縱向運(yùn)動模型與氣動特性分析

考慮地球曲率半徑與地球自轉(zhuǎn)，高超聲速再入飛行器縱向通道非線性動力學(xué)模型如式(1)所示[10-11]：

(1)

針對高超聲速再入飛行器縱向通道非線性動力學(xué)模型，進(jìn)行小擾動線性化，得到系統(tǒng)縱向通道線性動力學(xué)方程為：

(2)

其中，模型系統(tǒng)矩陣與控制矩陣中各項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式如下所示：

(3)

可見，對于高超聲速再入飛行器俯仰動力學(xué)模型而言，系統(tǒng)靜不穩(wěn)定。下面將在考慮氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和特性的情況下，給出補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)過程。

2 考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和特性情況下的系統(tǒng)魯棒性能分析

定義u為控制系統(tǒng)的連續(xù)輸入量，umax為執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和值，飽和函數(shù)sat(·)定義為：

(4)

定義σ(u)=sat(u)為具有飽和特性的系統(tǒng)輸入；q=u-sat(u)為系統(tǒng)飽和輸入引起的誤差，q滿足q=ψ(u)，其中ψ為扇形界不確定性算子，ψ∈sect [0K]，K=diag{k1,k2,...,knu}，0

qTT(u-q)≥0

(5)

考慮如下所示具有扇形不確定性的線性時不變系統(tǒng)：

(6)

其中,x∈Rn是系統(tǒng)狀態(tài)，d∈Rnd是外界擾動輸入，e∈Rne是控制輸出。

對于線性不確定系統(tǒng)式(5)和(6)，下面的定理[5]可決定其魯棒穩(wěn)定性與魯棒性能，該定理可由Lyapunov穩(wěn)定性理論與Schur補(bǔ)引理得到。

<0

(7)

3 補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

考慮如下所示的線性時不變被控對象P：

(8)

其中，xp∈Rnp是被控對象狀態(tài)，y∈Rny是量測輸出，σ(u)∈Rnu是考慮飽和特性的系統(tǒng)輸入，e∈Rne是外界輸出，d∈Rnd是外界輸入。在這里，假設(shè)系統(tǒng)滿足如下3個條件：

1) (Ap,Bp2,Cp2)可鎮(zhèn)定可觀測；

3)Dp22=0。

圖1 控制結(jié)構(gòu)框圖

圖2 控制結(jié)構(gòu)框圖

圖3 控制結(jié)構(gòu)一般框圖

本文的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，對圖1進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，得到控制結(jié)構(gòu)等效框圖如圖2所示。在忽略飽和非線性的情況下，首先設(shè)計(jì)標(biāo)稱控制器Knom，該標(biāo)稱控制器設(shè)計(jì)可以采用一般的線性控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，所設(shè)計(jì)的標(biāo)稱控制器Knom在忽略輸入飽和特性的情況能穩(wěn)定開環(huán)系統(tǒng)P，且決定著系統(tǒng)的性能指標(biāo)。假設(shè)該標(biāo)稱控制器存在且具有如下形式：

(9)

其中，xk∈Rnk是標(biāo)稱控制器狀態(tài)，v1,v2是由補(bǔ)償器Kc提供的輔助輸入。

設(shè)計(jì)補(bǔ)償器Kc的目的是在一定的性能指標(biāo)下，減小輸入飽和非線性對標(biāo)稱控制器的不利影響。假設(shè)所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器具有如下形式：

(10)

其中，xc∈Rnc是補(bǔ)償器狀態(tài)。

將執(zhí)行機(jī)構(gòu)連續(xù)輸入量u與q之間的關(guān)系用非線性關(guān)系式Δ=(1-σ(u))/u來表示，即q=Δ·u，則圖2所示的控制結(jié)構(gòu)框圖可以轉(zhuǎn)化為圖3所示的控制結(jié)構(gòu)一般框圖。其中G為不含補(bǔ)償器Kc情況下由開環(huán)系統(tǒng)P與標(biāo)稱控制器Knom所組成的閉環(huán)系統(tǒng)，G的狀態(tài)空間方程如下所示：

(11)

其中,x∈Rn，n=np+nk，且：

(12)

式(12)中的狀態(tài)空間矩陣可表示為如下形式：

(13)

由式(13)可以看出，閉環(huán)狀態(tài)空間矩陣與補(bǔ)償器的狀態(tài)空間矩陣之間存在仿射關(guān)系，針對系統(tǒng)式(12)利用定理1給出的系統(tǒng)穩(wěn)定條件，下面的定理[5]給出了補(bǔ)償器的存在條件。

(14)

(15)

(16)

由定理2得到R11，S與γ之后，定理3給出了

補(bǔ)償器狀態(tài)空間矩陣的構(gòu)造方法[5]。

定理3 對于給定的R11，S，γ與V=T-1，令MNT=In-RS，其中：M,N∈Sn×np，HT=[Inp0]，那么np階補(bǔ)償器可通過下面3個步驟構(gòu)造得到：

(17)

(18)

(19)

(20)

3)最后計(jì)算得到補(bǔ)償器狀態(tài)空間矩陣為：

(21)

4 高超聲速再入飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

高超聲速再入飛行器縱向通道系統(tǒng)模型標(biāo)稱控制器與補(bǔ)償器設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，其中：wc是控制加權(quán)，wn是噪聲加權(quán)，wp是性能加權(quán)，xtc是跟蹤指令，noise是外部噪聲。

圖4 標(biāo)稱控制器與補(bǔ)償器設(shè)計(jì)框圖

對于飛行器縱向通道系統(tǒng)模型，xtc為攻角跟蹤指令αc，首先設(shè)計(jì)標(biāo)稱控制器，采用式(3)中給出的Ma=15處的縱向通道系統(tǒng)線性模型，各加權(quán)函數(shù)選擇如下：

wp=0.2(s+10)/(s+0.01)，wc=1/10，wn=0.001。

忽略執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飽和非線性特性，采用魯棒控制中的H∞回路成形(Loop Shaping)技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)稱控制器，得到縱向標(biāo)稱控制器為：

KL.nom=-3.0742(s+0.3735)/(s+1.567)

(22)

選取K=0.994，采用定理3給出的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)方案步驟，得到縱向系統(tǒng)補(bǔ)償器系統(tǒng)矩陣為：

高超聲速再入飛行器縱向通道模型為靜不穩(wěn)定，且飛行器進(jìn)行大攻角再入飛行，縱向通道的控制目標(biāo)是在執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在飽和的情況下完成攻角指令跟蹤，并且保持高性能的穩(wěn)定飛行。由仿真圖可以看出，通過對標(biāo)稱控制器加抗飽和補(bǔ)償器與未加補(bǔ)償器的縱向控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，所設(shè)計(jì)的抗飽和補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)了縱向通道的穩(wěn)定飛行,飛行性能得到了提高，攻角的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間都有所減小，并且俯仰角速度變化反應(yīng)的動態(tài)過程得以改善，舵偏角進(jìn)入飽和時間減小，所設(shè)計(jì)的縱向控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果。

圖5 縱向通道控制系統(tǒng)仿真圖

5 結(jié)論

針對高超聲速再入飛行器縱向靜不穩(wěn)定模型，在考慮氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)飽和非線性特性的情況下，研究了一種基于補(bǔ)償方案的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。采用扇形界約束條件描述了控制輸入的飽和特性，采用H∞回路成形技術(shù)設(shè)計(jì)了標(biāo)稱控制器，然后針對標(biāo)稱控制器與被控對象所組成的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)償器設(shè)計(jì)，給出了補(bǔ)償控制器的存在條件與構(gòu)造方法，并采用高超聲速再入飛行器縱向通道動力學(xué)模型對該方法的合理性與有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在控制輸入飽和的情況下對靜不穩(wěn)定系統(tǒng)具有較好的控制性能，有效地提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性。

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Anti-Windup Compensation Control System Design for Hypersonic Reentry Vehicle

Du Lifu, Cai Gaohua, Huang Wanwei, Wang Danye

Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Ageneralizedsaturationcontroltechnologyintheframeworkofanti-windupcompensationisintroducedforthelongitudinalstatic-unstablemodelofhypersonicreentryvehiclecontrollerdesignsubjecttoinputsaturationnonlinearity.Firstly,thelongitudinalofhypersonicreentryvehicleisdescribedandsystemcharacteristicsanalysisarealsoimplemented.Then,robuststabilityandperformanceanalysisofclosed-loopsystemwithsector-boundednonlinearityareprovided,atwo-stepdesignprocedureforanti-windupcompensatorisgiven.Finally,closed-loopcontrolsystemsimulationsbyusingthelongitudinalstatic-unstablemodelofhypersonicreentryvehiclearemadetodemonstratetherationalityandeffectivenessofthegeneralizedanti-windupcontroltechnology.

Hypersonic;Reentryvehicle;Inputsaturation;Sector-bounded;Linearmatrixinequality;Anti-windupcompensator

*國家自然科學(xué)基金(6140355)

2015-06-10

杜立夫(1985-)，男，遼寧人，博士研究生，主要研究方向?yàn)轱w行器控制技術(shù)；蔡高華(1987-)，男，河南人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)橹茖?dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；黃萬偉(1970-)，男，湖南人，博士，研究員，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制理論與應(yīng)用、導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)等；王丹曄(1984-)，女，山西人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橹茖?dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

TP273

A

1006-3242(2016)02-0009-06