黃麗瓊,王園園
(1.商洛學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)院,陜西 商洛 726000;2.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)
時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于能源環(huán)境、系統(tǒng)和控制科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域[1]。時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)是由一些子系統(tǒng)通過特定切換規(guī)則組合而成的混合系統(tǒng)[2]。根據(jù)切換規(guī)則,其各子系統(tǒng)均能夠在瞬時(shí)沿著系統(tǒng)軌跡被激活,因此各子系統(tǒng)的控制非常重要[3]。時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)搭建了不確定或復(fù)雜系統(tǒng)與連續(xù)線性系統(tǒng)之間的橋梁,意味著該系統(tǒng)的控制具備二者共同的特性[4]。
目前,時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)控制的相關(guān)研究已經(jīng)取得了很多成果,包括保成本控制、自適應(yīng)控制和穩(wěn)定性分析等[5]。在多種控制方法中,滑模控制由于其固有的瞬態(tài)性能好、響應(yīng)速度快和易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì),以及對(duì)于外部擾動(dòng)具備魯棒性、對(duì)于參數(shù)而言具有不確定性等特征而獲得了廣泛應(yīng)用。特別是在時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)中,滑??刂埔恢笔且环N應(yīng)用很多的控制方法。在該背景下對(duì)時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)滑模控制方法進(jìn)行研究?,F(xiàn)綜合所取得的研究成果,應(yīng)用干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)一種時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)滑??刂品椒ā?/p>
構(gòu)建時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)模型[6]。具體為
(1)
x2為系統(tǒng)狀態(tài)向量-姿態(tài)角速率;x1為系統(tǒng)狀態(tài)向量-姿態(tài);y為系統(tǒng)輸出向量;d為未知的外部干擾;sat(u)為系統(tǒng)輸入向量u的飽和函數(shù)[7]。
針對(duì)系統(tǒng)在發(fā)生結(jié)構(gòu)變化時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)合干擾變化的情況[8],設(shè)計(jì)一種非線性切換干擾觀測(cè)器實(shí)施其不連續(xù)干擾的估計(jì)。非線性切換干擾觀測(cè)的設(shè)計(jì)具體如下所述。
對(duì)于式(1)系統(tǒng),定義為
(2)
vn為第n個(gè)定義值[9]。
(3)
bd(n-i)為參數(shù)函數(shù);n為正整數(shù)。
(4)
hσ(t)為非線性切換干擾觀測(cè)器增益。通過求導(dǎo)后的中間變量,設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器的形式,具體為
(5)
結(jié)合設(shè)計(jì)的切換干擾觀測(cè)器,通過Backstepping方法,設(shè)計(jì)一種切換滑??刂破?。依據(jù)標(biāo)量非線性特性設(shè)計(jì)1個(gè)滑模面,并提出一種滑??刂破魉惴ǎ箷r(shí)滯非線性切換系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)滑模面的實(shí)際可達(dá)性條件,完成切換滑模控制器的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的滑??刂芠13]。
設(shè)計(jì)的滑模面s(k,i)具體為
(6)
k為正整數(shù);k0為加權(quán)指數(shù);x(l)為第l個(gè)控制自變量;G(i)為滑模設(shè)計(jì)閾值函數(shù);A(i)、B(i)為理想滑模函數(shù);K(i)為函數(shù)變量[14]。
設(shè)計(jì)的滑模控制器算法能夠使時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)軌跡在設(shè)計(jì)的切換滑??刂破飨拢谟邢迺r(shí)間達(dá)到滑模面[15]。具體為
(7)
w(k,i)為標(biāo)量非線性特征函數(shù);Ω為正定函數(shù)[16];s(k,i)為系統(tǒng)軌跡;F(s(k,i))為系統(tǒng)軌跡左右乘函數(shù);ρ(k,i)為到滑模面的軌跡;ω為切換信號(hào)。根據(jù)上述過程,實(shí)現(xiàn)基于干擾觀測(cè)器的時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)滑??刂?。
對(duì)于設(shè)計(jì)的基于干擾觀測(cè)器的時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)滑??刂品椒ǎM(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中選擇的時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)為一種變后掠翼NSV,其飛行環(huán)境復(fù)雜,工作任務(wù)繁雜,并且飛行包絡(luò)極大,因此表現(xiàn)出嚴(yán)重耦合性、快速時(shí)變性、高度非線性以及強(qiáng)烈的不確定性,對(duì)于系統(tǒng)的滑??刂朴兄芨叩囊?。
實(shí)驗(yàn)時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)的控制舵面包括方向舵、副翼左右升降舵、水平鴨翼,分別位于垂直尾翼、三角副翼尾部和機(jī)體前部。實(shí)驗(yàn)中,其操作舵面實(shí)際偏轉(zhuǎn)角變化范圍定為-30°~30°。通過操作舵面控制其飛行變形,其飛行變形過程具體如下:在亞聲速階段水平鴨翼展開,通過舵面偏轉(zhuǎn)角在俯仰方向產(chǎn)生控制力矩,在其他階段將水平鴨翼收回機(jī)體內(nèi)部。
在飛行變形過程中,亞聲速時(shí)機(jī)翼后掠角為40°,高超聲速時(shí)機(jī)翼后掠角為75°,超聲速時(shí)機(jī)翼后掠角為60°。實(shí)驗(yàn)時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)的飛行參數(shù)具體為:在機(jī)翼后掠角分別為75°、60°、40°時(shí),翼展長(zhǎng)度分別為18.32 m、41.11 m、54.90 m;平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)分別為24.38 m、23.16 m、18.29 m;左、右升降舵弦長(zhǎng)分別為2.22 m、2.22 m、2.22 m;左、右升降舵面積分別為8.59 m、8.59 m、8.59 m;方向舵展長(zhǎng)分別為6.97 m、6.97 m、6.97 m;方向舵面積分別為15.01 m、15.01 m、15.01 m。
在飛行變形過程中,通過設(shè)計(jì)的基于干擾觀測(cè)器的時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)滑??刂品椒▽?duì)其實(shí)施滑??刂茖?shí)驗(yàn)。
在實(shí)驗(yàn)中,對(duì)其運(yùn)動(dòng)過程作出以下假設(shè):認(rèn)為變后掠翼NSV的變形運(yùn)動(dòng)是理想剛體運(yùn)動(dòng),不考慮控制舵面與機(jī)身彈性模量、強(qiáng)度和剛度等方面的變化;假設(shè)實(shí)驗(yàn)中周圍的大氣是干潔與均勻的;忽略操縱舵面與液體燃料的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與晃動(dòng)。
在實(shí)驗(yàn)中,首先測(cè)試切換信號(hào),具體如圖1所示。在切換信號(hào)下實(shí)施滑??刂茖?shí)驗(yàn)。
圖1 切換信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)時(shí),利用本文設(shè)計(jì)方法跟蹤時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)切換信號(hào),測(cè)試跟蹤過程中系統(tǒng)的姿態(tài)角與姿態(tài)角速率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
跟蹤過程中的姿態(tài)角數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 姿態(tài)角跟蹤效果測(cè)試結(jié)果
由表1可以知道,對(duì)于α姿態(tài)角,其參考輸入為1條直線,參考輸入的跟蹤信號(hào)在初始的姿態(tài)角偏低,之后就迅速實(shí)現(xiàn)了切入信號(hào)的快速跟蹤,并且跟蹤的較為準(zhǔn)確;對(duì)于β姿態(tài)角,其參考輸入有規(guī)律性的2段波動(dòng),在波動(dòng)處可以發(fā)現(xiàn)跟蹤信號(hào)存在一些波動(dòng)誤差,在信號(hào)平穩(wěn)處,則實(shí)現(xiàn)了切入信號(hào)的準(zhǔn)確跟蹤;對(duì)于μ姿態(tài)角,其參考輸入是規(guī)律的波動(dòng)形態(tài),參考輸入的跟蹤信號(hào)在初始的姿態(tài)角偏低,之后就迅速實(shí)現(xiàn)了切入信號(hào)的快速跟蹤,并且實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的切入信號(hào)跟蹤。綜合而言,本文設(shè)計(jì)方法能夠使時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的切入信號(hào)跟蹤。
跟蹤過程中的姿態(tài)角速率數(shù)據(jù),如表2所示。
表2 姿態(tài)角速率跟蹤效果測(cè)試結(jié)果
由表2可以知道,對(duì)于α姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的p速率,其參考輸入呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)狀態(tài),上下起伏比較大,整體跟蹤有幾處存在一定姿態(tài)角速率誤差,剩余均較為準(zhǔn)確;對(duì)于β姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的q速率,其參考輸入上下起伏比較小,但存在反復(fù)上升、下降趨勢(shì),其整體跟蹤姿態(tài)角速率誤差較小,較為準(zhǔn)確;對(duì)于μ姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的r速率,其參考輸入表現(xiàn)出大幅上升與下降行為,其整體跟蹤姿態(tài)角速率誤差同樣較小。綜合跟蹤過程中的姿態(tài)角速率測(cè)試結(jié)果,可以得出本文設(shè)計(jì)方法能夠使時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的切入信號(hào)跟蹤的結(jié)論。
利用本文設(shè)計(jì)方法對(duì)時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合干擾估計(jì),α姿態(tài)角、β姿態(tài)角和μ姿態(tài)角切換時(shí)的復(fù)合干擾估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。
圖2 切換時(shí)的復(fù)合干擾估計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由圖2可以知道,μ姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)復(fù)合干擾估計(jì)最準(zhǔn)確;β姿態(tài)角、α姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)復(fù)合干擾估計(jì)結(jié)果也較為準(zhǔn)確。整體來說,本文設(shè)計(jì)方法表現(xiàn)出了很好的切換時(shí)的復(fù)合干擾估計(jì)性能,能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合干擾的有效估計(jì)。
在研究時(shí)滯非線性切換系統(tǒng)滑模控制過程中,應(yīng)用干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)了一種非線性切換干擾觀測(cè)器估計(jì)其不連續(xù)干擾,并設(shè)計(jì)了一種切換滑??刂破鳎瑢?shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的滑??刂?,取得了一定研究成果。