基于高階微分滑模面的不確定飛機(jī)控制系統(tǒng)自適應(yīng)滑?？刂?/h1>
2018-05-14 12:19武曉晶吳學(xué)禮邵士凱劉慧賢
河北科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2018年5期 關(guān)鍵詞：不確定性
武曉晶 吳學(xué)禮 邵士凱 劉慧賢
摘 要：飛機(jī)控制系統(tǒng)作為典型的多輸入多輸出（MIMO）非線(xiàn)性系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的耦合性和不確定性，導(dǎo)致控制難度大幅度提高。針對(duì)這一情況，研究了一類(lèi)飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的跟蹤控制問(wèn)題。首先，將飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，并且考慮輸入不確定性的存在情況，提出了一種新的高階微分滑模面，證明了滑模面的穩(wěn)定性，然后，基于此高階微分滑模面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，設(shè)計(jì)了光滑的自適應(yīng)滑?？刂破鳌；贚yapunov穩(wěn)定性理論，證明了所設(shè)計(jì)的控制器既保證了飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)具有很好的跟蹤性能，又避免了傳統(tǒng)滑?？刂破鞫墩瘳F(xiàn)象的出現(xiàn)。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。與傳統(tǒng)的滑模控制器對(duì)比，所設(shè)計(jì)的控制器是光滑的，在實(shí)際飛機(jī)姿態(tài)控制領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：控制論；飛機(jī)姿態(tài)控制；自適應(yīng)滑?？刂疲换Ｃ?；不確定性
中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1008-1542（2018）05-0430-08
近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天技術(shù)日新月異，對(duì)飛機(jī)控制技術(shù)的研究日益受到人們的廣泛關(guān)注。飛機(jī)控制系統(tǒng)是一種典型的多輸入多輸出非線(xiàn)性系統(tǒng)，存在各個(gè)運(yùn)動(dòng)變量之間的耦合，對(duì)氣流環(huán)境和外部擾動(dòng)的敏感
性，以及控制輸入的不確定性等因素，因此，為了提高飛機(jī)的可靠性、安全性和機(jī)動(dòng)性，近年來(lái)飛機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒控制研究受到了廣泛重視[1-6]。
滑?？刂剖窃O(shè)計(jì)魯棒控制器的重要方法，滑模控制的基本思想是設(shè)計(jì)控制器使得系統(tǒng)狀態(tài)從狀態(tài)空間的任何一點(diǎn)到達(dá)滑模面，一旦系統(tǒng)狀態(tài)到達(dá)滑模面，系統(tǒng)對(duì)于任何外部干擾及不確定性等具有完全魯棒性[7-8]。目前，滑?？刂迫〉昧舜罅康难芯砍晒鸞9-11]。文獻(xiàn)[9]研究了時(shí)滯系統(tǒng)的滑?？刂?；文獻(xiàn)[10]提出了一種自適應(yīng)終端滑?；煦缈刂品椒?；文獻(xiàn)[11]針對(duì)非匹配不確定高階非線(xiàn)性系統(tǒng)研究了其終端滑?？刂?。以滑模控制方法設(shè)計(jì)的控制器有一個(gè)缺陷：控制器中會(huì)出現(xiàn)符號(hào)函數(shù)，使得控制器出現(xiàn)“抖振現(xiàn)象”，這在實(shí)際應(yīng)用中是不希望出現(xiàn)的。因此，許多學(xué)者在如何設(shè)計(jì)光滑控制器方面做出了努力，如文獻(xiàn)[12-16]，文獻(xiàn)[12]研究了永磁同步電機(jī)的滑?？刂茊?wèn)題，利用飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)來(lái)減弱控制器的抖振程度；文獻(xiàn)[13]提出了一種新的二階滑?？刂品椒?，消除了傳統(tǒng)一階滑?？刂浦写嬖诘亩墩瘳F(xiàn)象，并將其應(yīng)用于倒立擺的控制；文獻(xiàn)[14]研究了具有參數(shù)不確定性和風(fēng)力擾動(dòng)的飛艇的魯棒跟蹤控制問(wèn)題，基于邊界層的概念避免了控制器的抖振現(xiàn)象；文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種帶飽和函數(shù)的冪次滑模趨近律，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的收斂速度且有效削弱了抖振，并且將該方法應(yīng)用到二力臂機(jī)械手名義模型控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[16]基于動(dòng)態(tài)滑模方法，研究了不確定車(chē)輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的模糊控制問(wèn)題，將控制器加入滑模面，有效地避免了控制器的抖振現(xiàn)象。在飛行控制研究領(lǐng)域，滑?？刂埔渤霈F(xiàn)了許多研究成果[17-19]。文獻(xiàn)[17]針對(duì)低空飛行的飛行器姿態(tài)控制，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒滑?？刂破?；文獻(xiàn)[18]針對(duì)微小型四旋翼飛行器大角度快速機(jī)動(dòng)飛行控制問(wèn)題，提出了基于動(dòng)態(tài)逆與滑?？刂频男滦碗p通道機(jī)動(dòng)飛行控制方法。文獻(xiàn)[19]針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制問(wèn)題，提出了一種自適應(yīng)反演滑模控制算法。
筆者將自適應(yīng)滑?？刂品椒ê蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合應(yīng)用于文獻(xiàn)[20]建立的飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，首先將系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，考慮控制輸入具有不確定性情況，提出一種新的微分滑模面，基于此微分滑模面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，完成了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，保證了閉環(huán)系統(tǒng)具有很好的跟蹤性能，并且控制器是光滑的，克服了傳統(tǒng)滑?？刂破髦写嬖诘目刂破鞫墩駟?wèn)題，從而更適合實(shí)際的推廣和應(yīng)用。
1 系統(tǒng)描述
考慮如下微分方程描述的飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)[20]：
對(duì)于傳統(tǒng)的滑模控制，由于所設(shè)計(jì)的滑?？刂破髦袝?huì)出現(xiàn)符號(hào)函數(shù)，因此控制器的抖振現(xiàn)象嚴(yán)重，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用不利，為了將本文滑?？刂品椒ㄅc傳統(tǒng)滑模控制方法進(jìn)行比較，下面給出傳統(tǒng)滑模控制結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的控制器設(shè)計(jì)方法，同時(shí)針對(duì)飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，分別利用本文主要結(jié)論定理2所提出的滑?？刂品椒ê蛡鹘y(tǒng)滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行仿真比較，說(shuō)明本文定理2所提出方法的有效性和優(yōu)越性。
為了比較說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)控制器的優(yōu)越性，圖3和圖4給出了針對(duì)此飛機(jī)姿態(tài)的控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)滑?？刂破鳎?）和（32）得到的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，傳統(tǒng)的滑模控制器的抖振現(xiàn)象很?chē)?yán)重，這在實(shí)際應(yīng)用中是很不利的。而圖1和圖2可看出本文定理1和定理2所提出的微分滑模面以及控制器不僅有效而且無(wú)抖振現(xiàn)象，更具優(yōu)越性。
4 結(jié) 語(yǔ)
針對(duì)具有輸入不確定性的飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，筆者在對(duì)飛機(jī)姿態(tài)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行坐標(biāo)變換和反饋線(xiàn)性化處理的基礎(chǔ)上，提出了一種新的高階微分滑模面的設(shè)計(jì)方法，基于此高階微分滑模面完成了自適應(yīng)滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)滑?？刂频亩墩駟?wèn)題。在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)出現(xiàn)的未知非線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行逼近。基于Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)滑模控制器可以保證閉環(huán)誤差系統(tǒng)穩(wěn)定性。即：飛機(jī)姿態(tài)的滾轉(zhuǎn)傾斜角[WTBX]，俯仰角θ，偏航角ψ具有很好的跟蹤性能。與傳統(tǒng)滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行對(duì)比，所設(shè)計(jì)的控制器是光滑的，更具實(shí)用性。仿真實(shí)例驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制器的有效性和優(yōu)越性。本研究結(jié)果尚未推廣應(yīng)用于實(shí)際的飛機(jī)姿態(tài)控制研究中，但可為實(shí)際飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供理論指導(dǎo)，今后將對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步探索。
參考文獻(xiàn)/References：
[1] 周煜， 嚴(yán)洪森， 胡春鵬. 飛機(jī)飛行的趨近律滑?？刂芠J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2016，29（6）：29-30.
ZHOU Yu， YAN Hongsen， HU Chunpeng. Sliding mode control based on reaching law for flight of plane[J]. Industrial Control Computer， 2016，29（6）：29-30.
[2] 胡盛斌，陸敏恂，陸文華. 基于積分滑模面的飛機(jī)姿態(tài)模糊滑?？刂芠J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2013，25（3）：530-534.
HU Shengbin， LU Minxun， LU Wenhua. Fuzzy sliding mode control for airplane attitude based on integral sliding mode surface[J]. Journal of System Simulation， 2013，25（3）：530-534.
[3] 尚瑩， 高曉光， 符小衛(wèi). 基于非線(xiàn)性PID控制的無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 飛行力學(xué)， 2010， 28（3）：47-50.
SHANG Ying， GAO Xiaoguang， FU Xiaowei. Optimal design for UAV's flight control system based on non-linear PID control[J]. Flight Dynamics， 2010， 28（3）：47-50.
[4] 韓慧超. 基于滑模變結(jié)構(gòu)的飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)，2012.
HAN Huichao. Aircraft Control System Design Based on Sliding Mode Variable Structure[D]. Harbin：Harbin Engineering University，2012.
[5] 劉棕成， 陳勇， 董新民，等. 含執(zhí)行器非線(xiàn)性的多操縱面飛機(jī)自適應(yīng)跟蹤控制[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2017，39（2）：383-390.
LIU Zongcheng， CHEN Yong， DONG Xinmin， et al. Adaptive tracking control of multi-effector aircraft with actuator nonlinearity[J]. Systems Engineering and Electronics， 2017， 39（2）： 383-390.
[6] 陳勇， 董新民， 薛建平， 等. 過(guò)驅(qū)動(dòng)飛行器線(xiàn)性參變魯棒預(yù)測(cè)跟蹤控制策略[J]. 控制理論與應(yīng)用， 2013， 30（4）：432-442.
CHEN Yong， DONG Xinmin， XUE Jianping， et al. Robust linear parameter-varying predictive tracking control scheme for over-actuated vehicle[J].Control Theory & Applications， 2013， 30（4）：432-442.
[7] 田宏奇. 滑模控制理論及其應(yīng)用[M]. 武漢：武漢出版社， 1995.
[8] 劉金琨， 孫福春. 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論及其算法研究與進(jìn)展[J]. 控制理論與應(yīng)用， 2007， 24（3）：407-418.
LIU Jinkun， SUN Fuchun. Research and development on theory and algorithms of sliding mode control[J]. Control Theory & Applications， 2007， 24（3）：407-418.
[9] 劉月， 馬樹(shù)萍. 時(shí)滯系統(tǒng)的輸出反饋滑?？刂频囊环N奇異系統(tǒng)方法[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2013， 39（5）：594-601.
LIU Yue， MA Shuping. A singular system approach to output feedback sliding mode control for tome-delay systems[J]. Acta Automatica Sinica， 2013， 39（5）：594-601.
[10]王鶴， 李耀峰， 張守龍， 等. 基于自適應(yīng)Terminal 滑模的混沌振蕩控制[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2013， 25（3）：152-157.
WANG He， LI Yaofeng， ZHANG Shoulong， et al. Chaotic oscillation control based on adaptive terminal sliding mode[J]. Proceedings of the CSU-EPSA， 2013， 25（3）：152-157.
[11]蒲明， 吳慶憲， 姜長(zhǎng)生，等. 非匹配不確定高階非線(xiàn)性系統(tǒng)遞階Terminal滑?？刂芠J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2012， 38（11）：1777-1793.
PU Ming， WU Qingxian， JIANG Changsheng， et al. Recursive terminal sliding mode control for higher-order nonlinear system with mismatched uncertainties[J]. Acta Automatica Sinica， 2012， 38（11）：1777-1793.
[12]李政， 胡廣大， 崔家瑞， 等. 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2014， 34（3）：431-437.
LI Zheng， HU Guangda， CUI Jiarui， et al. Sliding-mode variable structure control with integral action for permanent magnet synchronous motor[J]. Proceeding of the CSEE， 2014， 34（3）：431-437.
[13]李雪冰， 馬莉， 丁世宏. 一類(lèi)新的二階滑?？刂品椒捌湓诘沽[控制中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2015， 41（1）：193-202.
LI Xuebing， MA Li， DING Shihong. A new second-order sliding mode control and its application to inverted pendulum[J]. Acta Automatica Sinica， 2015， 41（1）：193-202.
[14]ZHENG Zewei， SUN Liang. Adaptive sliding mode trajectory tracking control of robotic airships with parametric uncertainty and wind disturbance[J]. Journal of the Franklin Institute， 2018， 355（1）：106-122.
[15]李蒙蒙，葉洪濤，羅文廣. 一種帶飽和函數(shù)的冪次新型滑模趨近律設(shè)計(jì)與分析[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2019， 36（6）：1-6.
LI Mengmeng， YE Hongbo， LUO Wenguang. Novel power reaching law with saturation function of sliding mode control design and analysis[J]. Application Research of Computers. 2019， 36（6）：1-6.
[16]WEN Shiping， CHEN M Z Q， ZENG Zhigang， et al. Fuzzy control for uncertain vehicle active suspension systems via dynamic sliding-mode approach[J]. IEEE Trans on systems， Man， and Cybernetics：Systems， 2017， 47（1）：24-32.
[17]吳云潔， 宋闖， 左京興. 低空飛行時(shí)改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒滑模姿態(tài)控制器[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2015， 27（9）：2163-2168.
WU Yunjie， SONG Chuang， ZUO Jingxing. Research on attitude controller based on modified adaptive robust sliding mode in low-flying[J]. Journal of System Simulation， 2015， 27（9）：2163-2168.
[18]楊盛毅， 劉超， 唐勝景， 等. 基于動(dòng)態(tài)逆和動(dòng)態(tài)滑模的雙通道機(jī)動(dòng)飛行控制[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2018， 30（1）：156-170.
YANG Shengyi， LIU Chao， TANG Shengjing， et al. Dual channel maneuver flight control based on dynamic inverse and dynamic sliding mode[J]. Journal of System Simulation， 2018， 30（1）：156-170.
[19]JIANG Xueying， SU Chenli， XU Yapeng， et al. An adaptive backstepping sliding mode method for flight attitude of quadrotor UAVs[J]. Journal of Central South Unversity， 2018， 25：616-631.
[20]吳森堂，費(fèi)玉華. 飛行控制系統(tǒng)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2005.
猜你喜歡
中國(guó)銀行業(yè)的未來(lái)：不確定性與希望并存南風(fēng)窗(2017年9期)2017-05-04 Hays Plc CFO，Paul Venables首席財(cái)務(wù)官(2016年11期)2017-01-05 不確定性：《終局》中的后現(xiàn)代主義特征湖北函授大學(xué)學(xué)報(bào)(2016年14期)2017-01-04 試論福樓拜小說(shuō)的創(chuàng)新性東方教育(2016年4期)2016-12-14 城市規(guī)劃的影響因素探究美與時(shí)代·城市版(2016年10期)2016-12-12 基于不確定性理論的樁板式擋墻施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估科技視界(2016年20期)2016-09-29 文學(xué)作品教學(xué)目標(biāo)“確定性”與“不確定性”之我見(jiàn)考試周刊(2016年11期)2016-03-17 廣義直覺(jué)模糊軟集的格結(jié)構(gòu)
武曉晶 吳學(xué)禮 邵士凱 劉慧賢
摘 要：飛機(jī)控制系統(tǒng)作為典型的多輸入多輸出（MIMO）非線(xiàn)性系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的耦合性和不確定性，導(dǎo)致控制難度大幅度提高。針對(duì)這一情況，研究了一類(lèi)飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的跟蹤控制問(wèn)題。首先，將飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，并且考慮輸入不確定性的存在情況，提出了一種新的高階微分滑模面，證明了滑模面的穩(wěn)定性，然后，基于此高階微分滑模面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，設(shè)計(jì)了光滑的自適應(yīng)滑?？刂破鳌；贚yapunov穩(wěn)定性理論，證明了所設(shè)計(jì)的控制器既保證了飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)具有很好的跟蹤性能，又避免了傳統(tǒng)滑?？刂破鞫墩瘳F(xiàn)象的出現(xiàn)。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。與傳統(tǒng)的滑模控制器對(duì)比，所設(shè)計(jì)的控制器是光滑的，在實(shí)際飛機(jī)姿態(tài)控制領(lǐng)域中具有很好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：控制論；飛機(jī)姿態(tài)控制；自適應(yīng)滑?？刂疲换Ｃ?；不確定性
中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1008-1542（2018）05-0430-08
近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天技術(shù)日新月異，對(duì)飛機(jī)控制技術(shù)的研究日益受到人們的廣泛關(guān)注。飛機(jī)控制系統(tǒng)是一種典型的多輸入多輸出非線(xiàn)性系統(tǒng)，存在各個(gè)運(yùn)動(dòng)變量之間的耦合，對(duì)氣流環(huán)境和外部擾動(dòng)的敏感
性，以及控制輸入的不確定性等因素，因此，為了提高飛機(jī)的可靠性、安全性和機(jī)動(dòng)性，近年來(lái)飛機(jī)控制系統(tǒng)的魯棒控制研究受到了廣泛重視[1-6]。
滑?？刂剖窃O(shè)計(jì)魯棒控制器的重要方法，滑模控制的基本思想是設(shè)計(jì)控制器使得系統(tǒng)狀態(tài)從狀態(tài)空間的任何一點(diǎn)到達(dá)滑模面，一旦系統(tǒng)狀態(tài)到達(dá)滑模面，系統(tǒng)對(duì)于任何外部干擾及不確定性等具有完全魯棒性[7-8]。目前，滑?？刂迫〉昧舜罅康难芯砍晒鸞9-11]。文獻(xiàn)[9]研究了時(shí)滯系統(tǒng)的滑?？刂?；文獻(xiàn)[10]提出了一種自適應(yīng)終端滑?；煦缈刂品椒?；文獻(xiàn)[11]針對(duì)非匹配不確定高階非線(xiàn)性系統(tǒng)研究了其終端滑?？刂?。以滑模控制方法設(shè)計(jì)的控制器有一個(gè)缺陷：控制器中會(huì)出現(xiàn)符號(hào)函數(shù)，使得控制器出現(xiàn)“抖振現(xiàn)象”，這在實(shí)際應(yīng)用中是不希望出現(xiàn)的。因此，許多學(xué)者在如何設(shè)計(jì)光滑控制器方面做出了努力，如文獻(xiàn)[12-16]，文獻(xiàn)[12]研究了永磁同步電機(jī)的滑?？刂茊?wèn)題，利用飽和函數(shù)替代符號(hào)函數(shù)來(lái)減弱控制器的抖振程度；文獻(xiàn)[13]提出了一種新的二階滑?？刂品椒?，消除了傳統(tǒng)一階滑?？刂浦写嬖诘亩墩瘳F(xiàn)象，并將其應(yīng)用于倒立擺的控制；文獻(xiàn)[14]研究了具有參數(shù)不確定性和風(fēng)力擾動(dòng)的飛艇的魯棒跟蹤控制問(wèn)題，基于邊界層的概念避免了控制器的抖振現(xiàn)象；文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種帶飽和函數(shù)的冪次滑模趨近律，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的收斂速度且有效削弱了抖振，并且將該方法應(yīng)用到二力臂機(jī)械手名義模型控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)[16]基于動(dòng)態(tài)滑模方法，研究了不確定車(chē)輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的模糊控制問(wèn)題，將控制器加入滑模面，有效地避免了控制器的抖振現(xiàn)象。在飛行控制研究領(lǐng)域，滑?？刂埔渤霈F(xiàn)了許多研究成果[17-19]。文獻(xiàn)[17]針對(duì)低空飛行的飛行器姿態(tài)控制，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒滑?？刂破?；文獻(xiàn)[18]針對(duì)微小型四旋翼飛行器大角度快速機(jī)動(dòng)飛行控制問(wèn)題，提出了基于動(dòng)態(tài)逆與滑?？刂频男滦碗p通道機(jī)動(dòng)飛行控制方法。文獻(xiàn)[19]針對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)控制問(wèn)題，提出了一種自適應(yīng)反演滑模控制算法。
筆者將自適應(yīng)滑?？刂品椒ê蜕窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合應(yīng)用于文獻(xiàn)[20]建立的飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，首先將系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)變換，考慮控制輸入具有不確定性情況，提出一種新的微分滑模面，基于此微分滑模面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近能力，完成了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，保證了閉環(huán)系統(tǒng)具有很好的跟蹤性能，并且控制器是光滑的，克服了傳統(tǒng)滑?？刂破髦写嬖诘目刂破鞫墩駟?wèn)題，從而更適合實(shí)際的推廣和應(yīng)用。
1 系統(tǒng)描述
考慮如下微分方程描述的飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)[20]：
對(duì)于傳統(tǒng)的滑模控制，由于所設(shè)計(jì)的滑?？刂破髦袝?huì)出現(xiàn)符號(hào)函數(shù)，因此控制器的抖振現(xiàn)象嚴(yán)重，這對(duì)實(shí)際應(yīng)用不利，為了將本文滑?？刂品椒ㄅc傳統(tǒng)滑模控制方法進(jìn)行比較，下面給出傳統(tǒng)滑模控制結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所設(shè)計(jì)的控制器設(shè)計(jì)方法，同時(shí)針對(duì)飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，分別利用本文主要結(jié)論定理2所提出的滑?？刂品椒ê蛡鹘y(tǒng)滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行仿真比較，說(shuō)明本文定理2所提出方法的有效性和優(yōu)越性。
為了比較說(shuō)明本文所設(shè)計(jì)控制器的優(yōu)越性，圖3和圖4給出了針對(duì)此飛機(jī)姿態(tài)的控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)滑?？刂破鳎?）和（32）得到的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，傳統(tǒng)的滑模控制器的抖振現(xiàn)象很?chē)?yán)重，這在實(shí)際應(yīng)用中是很不利的。而圖1和圖2可看出本文定理1和定理2所提出的微分滑模面以及控制器不僅有效而且無(wú)抖振現(xiàn)象，更具優(yōu)越性。
4 結(jié) 語(yǔ)
針對(duì)具有輸入不確定性的飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)，筆者在對(duì)飛機(jī)姿態(tài)非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行坐標(biāo)變換和反饋線(xiàn)性化處理的基礎(chǔ)上，提出了一種新的高階微分滑模面的設(shè)計(jì)方法，基于此高階微分滑模面完成了自適應(yīng)滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)滑?？刂频亩墩駟?wèn)題。在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)出現(xiàn)的未知非線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行逼近。基于Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)滑模控制器可以保證閉環(huán)誤差系統(tǒng)穩(wěn)定性。即：飛機(jī)姿態(tài)的滾轉(zhuǎn)傾斜角[WTBX]，俯仰角θ，偏航角ψ具有很好的跟蹤性能。與傳統(tǒng)滑?？刂品椒ㄟM(jìn)行對(duì)比，所設(shè)計(jì)的控制器是光滑的，更具實(shí)用性。仿真實(shí)例驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制器的有效性和優(yōu)越性。本研究結(jié)果尚未推廣應(yīng)用于實(shí)際的飛機(jī)姿態(tài)控制研究中，但可為實(shí)際飛機(jī)姿態(tài)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供理論指導(dǎo)，今后將對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步探索。
參考文獻(xiàn)/References：
[1] 周煜， 嚴(yán)洪森， 胡春鵬. 飛機(jī)飛行的趨近律滑?？刂芠J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2016，29（6）：29-30.
ZHOU Yu， YAN Hongsen， HU Chunpeng. Sliding mode control based on reaching law for flight of plane[J]. Industrial Control Computer， 2016，29（6）：29-30.
[2] 胡盛斌，陸敏恂，陸文華. 基于積分滑模面的飛機(jī)姿態(tài)模糊滑?？刂芠J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2013，25（3）：530-534.
HU Shengbin， LU Minxun， LU Wenhua. Fuzzy sliding mode control for airplane attitude based on integral sliding mode surface[J]. Journal of System Simulation， 2013，25（3）：530-534.
[3] 尚瑩， 高曉光， 符小衛(wèi). 基于非線(xiàn)性PID控制的無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 飛行力學(xué)， 2010， 28（3）：47-50.
SHANG Ying， GAO Xiaoguang， FU Xiaowei. Optimal design for UAV's flight control system based on non-linear PID control[J]. Flight Dynamics， 2010， 28（3）：47-50.
[4] 韓慧超. 基于滑模變結(jié)構(gòu)的飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)，2012.
HAN Huichao. Aircraft Control System Design Based on Sliding Mode Variable Structure[D]. Harbin：Harbin Engineering University，2012.
[5] 劉棕成， 陳勇， 董新民，等. 含執(zhí)行器非線(xiàn)性的多操縱面飛機(jī)自適應(yīng)跟蹤控制[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2017，39（2）：383-390.
LIU Zongcheng， CHEN Yong， DONG Xinmin， et al. Adaptive tracking control of multi-effector aircraft with actuator nonlinearity[J]. Systems Engineering and Electronics， 2017， 39（2）： 383-390.
[6] 陳勇， 董新民， 薛建平， 等. 過(guò)驅(qū)動(dòng)飛行器線(xiàn)性參變魯棒預(yù)測(cè)跟蹤控制策略[J]. 控制理論與應(yīng)用， 2013， 30（4）：432-442.
CHEN Yong， DONG Xinmin， XUE Jianping， et al. Robust linear parameter-varying predictive tracking control scheme for over-actuated vehicle[J].Control Theory & Applications， 2013， 30（4）：432-442.
[7] 田宏奇. 滑模控制理論及其應(yīng)用[M]. 武漢：武漢出版社， 1995.
[8] 劉金琨， 孫福春. 滑模變結(jié)構(gòu)控制理論及其算法研究與進(jìn)展[J]. 控制理論與應(yīng)用， 2007， 24（3）：407-418.
LIU Jinkun， SUN Fuchun. Research and development on theory and algorithms of sliding mode control[J]. Control Theory & Applications， 2007， 24（3）：407-418.
[9] 劉月， 馬樹(shù)萍. 時(shí)滯系統(tǒng)的輸出反饋滑?？刂频囊环N奇異系統(tǒng)方法[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2013， 39（5）：594-601.
LIU Yue， MA Shuping. A singular system approach to output feedback sliding mode control for tome-delay systems[J]. Acta Automatica Sinica， 2013， 39（5）：594-601.
[10]王鶴， 李耀峰， 張守龍， 等. 基于自適應(yīng)Terminal 滑模的混沌振蕩控制[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2013， 25（3）：152-157.
WANG He， LI Yaofeng， ZHANG Shoulong， et al. Chaotic oscillation control based on adaptive terminal sliding mode[J]. Proceedings of the CSU-EPSA， 2013， 25（3）：152-157.
[11]蒲明， 吳慶憲， 姜長(zhǎng)生，等. 非匹配不確定高階非線(xiàn)性系統(tǒng)遞階Terminal滑?？刂芠J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2012， 38（11）：1777-1793.
PU Ming， WU Qingxian， JIANG Changsheng， et al. Recursive terminal sliding mode control for higher-order nonlinear system with mismatched uncertainties[J]. Acta Automatica Sinica， 2012， 38（11）：1777-1793.
[12]李政， 胡廣大， 崔家瑞， 等. 永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的積分型滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2014， 34（3）：431-437.
LI Zheng， HU Guangda， CUI Jiarui， et al. Sliding-mode variable structure control with integral action for permanent magnet synchronous motor[J]. Proceeding of the CSEE， 2014， 34（3）：431-437.
[13]李雪冰， 馬莉， 丁世宏. 一類(lèi)新的二階滑?？刂品椒捌湓诘沽[控制中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2015， 41（1）：193-202.
LI Xuebing， MA Li， DING Shihong. A new second-order sliding mode control and its application to inverted pendulum[J]. Acta Automatica Sinica， 2015， 41（1）：193-202.
[14]ZHENG Zewei， SUN Liang. Adaptive sliding mode trajectory tracking control of robotic airships with parametric uncertainty and wind disturbance[J]. Journal of the Franklin Institute， 2018， 355（1）：106-122.
[15]李蒙蒙，葉洪濤，羅文廣. 一種帶飽和函數(shù)的冪次新型滑模趨近律設(shè)計(jì)與分析[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2019， 36（6）：1-6.
LI Mengmeng， YE Hongbo， LUO Wenguang. Novel power reaching law with saturation function of sliding mode control design and analysis[J]. Application Research of Computers. 2019， 36（6）：1-6.
[16]WEN Shiping， CHEN M Z Q， ZENG Zhigang， et al. Fuzzy control for uncertain vehicle active suspension systems via dynamic sliding-mode approach[J]. IEEE Trans on systems， Man， and Cybernetics：Systems， 2017， 47（1）：24-32.
[17]吳云潔， 宋闖， 左京興. 低空飛行時(shí)改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒滑模姿態(tài)控制器[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2015， 27（9）：2163-2168.
WU Yunjie， SONG Chuang， ZUO Jingxing. Research on attitude controller based on modified adaptive robust sliding mode in low-flying[J]. Journal of System Simulation， 2015， 27（9）：2163-2168.
[18]楊盛毅， 劉超， 唐勝景， 等. 基于動(dòng)態(tài)逆和動(dòng)態(tài)滑模的雙通道機(jī)動(dòng)飛行控制[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2018， 30（1）：156-170.
YANG Shengyi， LIU Chao， TANG Shengjing， et al. Dual channel maneuver flight control based on dynamic inverse and dynamic sliding mode[J]. Journal of System Simulation， 2018， 30（1）：156-170.
[19]JIANG Xueying， SU Chenli， XU Yapeng， et al. An adaptive backstepping sliding mode method for flight attitude of quadrotor UAVs[J]. Journal of Central South Unversity， 2018， 25：616-631.
[20]吳森堂，費(fèi)玉華. 飛行控制系統(tǒng)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2005.
猜你喜歡
南風(fēng)窗(2017年9期)2017-05-04
首席財(cái)務(wù)官(2016年11期)2017-01-05
湖北函授大學(xué)學(xué)報(bào)(2016年14期)2017-01-04
東方教育(2016年4期)2016-12-14
美與時(shí)代·城市版(2016年10期)2016-12-12
科技視界(2016年20期)2016-09-29
考試周刊(2016年11期)2016-03-17
