專利名稱：一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無人機飛行控制領域，具體地說是指一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法。

背景技術：
無人機飛行控制系統通常由飛控計算機、傳感器和伺服機構組成，飛控計算機根據輸入的傳感器信息、存貯的有關數據以及通過測控鏈路上傳的遙控指令與數據，經過判斷、運算和處理后，輸出指令給伺服機構，控制舵面、發(fā)動機以及剎車量，進而控制飛機的速度、姿態(tài)和軌跡來完成各種模態(tài)的控制任務。與有人機相比，無人機的飛行控制系統應具有高度的自主性和應付復雜環(huán)境的能力，針對不同的飛行階段應自主采用相應不同的控制策略來完成相應的控制目標。通常的控制目標包括穩(wěn)定及操縱飛機的姿態(tài)角；穩(wěn)定及操縱飛機的重心運動，包括飛行高度、空速、航跡等；操縱飛機由危險高度自動拉起復飛；進場著陸時自動跟蹤下滑線并保證飛行速度的控制等等。由于不同的飛行階段的控制策略不同，相應的控制律結構和參數均可能出現較大差別。飛行過程中，隨著飛行狀態(tài)的變化，將會出現不同控制律的切換，此時，若不引入控制律平穩(wěn)切換技術，則會出現輸出至伺服機構的控制量的突跳，由此引起的飛機過載突變，對飛行安全產生不利影響。
圖1所示的是飛行控制中控制律切換原理示意圖，飛行的基本原理是機載飛行控制計算機計算被控量y(t)與期望值r(t)之間的偏差e(t)，并根據控制律解算得到控制量u(t)，該控制量輸出至飼服作動設備，進而控制飛機?，F有的控制律平穩(wěn)切換技術常采用多模態(tài)同步運算控制平穩(wěn)切換方法，在圖1中，控制律A的輸出為ua(t)，控制律B的輸出為ub(t)，其中的軟化處理通常選擇線性軟化方法，當控制律由A轉至B時，在控制律總輸出口來總體平滑瞬變過程，即利用軟化環(huán)節(jié)使被切換的控制律A逐漸淡出，需接入的控制律B逐漸淡入。切換過程中，系統所執(zhí)行的控制律輸出為 u(t)＝ua(t).(1-t/T)+ub(t).t/T(1) 其中，t為軟化開始后記錄的時間，T為軟化時限。切換時的平緩程度可以通過選擇軟化時限T來進行調節(jié)，軟化時限越長，過渡過程越平緩。
多模態(tài)同步運算控制平穩(wěn)切換方法的特點是比較直觀，具有良好的瞬變抑制效果，平緩程度可以根據實際情況設定不同的軟化時限來進行調節(jié)。但實現過程較為繁瑣，需要包括切換瞬間輸出量舊值的記錄、軟化開始后計時器的實現、軟化時限的判斷、軟化時限內進行線性軟化計算等等。同時，在切換過程中，不同控制律的重疊計算對系統的穩(wěn)定性會產生影響，因此還必須通過足夠的仿真試驗來調整軟化時限T，以獲得滿意的瞬變過程。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法，該方法利用了PID(比例-積分-微分)控制器結構中的積分器環(huán)節(jié)，通過簡單的處理，實現了控制律的平穩(wěn)切換。
本發(fā)明的控制律平穩(wěn)切換方法通過以下步驟實現 步驟一計算控制律切換時刻(t0時刻)的控制量ua(t0)、ub(t0)。
步驟二令ua(t0)＝ub(t0)，解算切換時刻控制量ub(t0)的積分器的初值x0。
步驟三將積分器的初值x0帶入控制律B得到控制輸出。
本發(fā)明控制律平穩(wěn)切換方法的優(yōu)點在于 (1)實際運行過程中只針對接入模態(tài)進行一次計算，運行效率高，控制律切換實現更為簡單； (2)無重疊運算，保證飛機控制系統的穩(wěn)定性。



圖1是多模態(tài)同步運算控制平穩(wěn)切換示意圖； 圖2是本發(fā)明所提供的一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換示意圖； 圖3是控制切換實例示意圖； 圖4不采用軟化的結果圖； 圖5是采用線性軟化的結果圖； 圖6是應用本發(fā)明提供的切換方法進行積分器初值軟化后的結果圖。

具體實施例方式 下面結合附圖和具體實例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
利用經典控制理論解決飛行控制律設計的問題時，PID控制器由于其結構簡單、魯棒性強以及易于實現的特點被廣泛的應用。PID控制器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)三部分組成，其輸入偏差e(t)與輸出控制量u(t)的關系為 式(2)中，KP為比例系數，KI為積分系數，KP為微分系數，u(t)為控制量，e(t)為被控量y(t)與期望值r(t)之間的偏差，e(t)＝r(t)-y(t)，t0表示積分開始時刻，x0表示積分器的初值。
比例、積分、微分環(huán)節(jié)對控制系統分別產生不同的影響。其中，控制的穩(wěn)定性、超調量以及相應速度等動態(tài)指標主要取決于比例系數KP的大??；積分環(huán)節(jié)的引入可以消除系統的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統的跟蹤精度，但是過大的積分作用將造成系統的超調；微分環(huán)節(jié)的主要作用在于給系統引入動態(tài)阻尼，減小系統的超調，但調節(jié)時間會因此變大。在PID控制器的設計中，通過對比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)三部分控制作用的協調，可以達到很好的飛行控制效果。
本發(fā)明所提供的一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法，針對于需要切入的控制律中含有積分環(huán)節(jié)的情況，在控制律切換瞬間利用設置積分器的初值來達到平穩(wěn)切換的目的。如圖2所示是一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換示意圖，其中，控制律B中采用了PID控制器形式，即公式(2)所示的形式。
當采用控制律A進行控制時，機載飛行控制計算機計算被控量y(t)與期望值r(t)之間的偏差e(t)，并得到控制律A的控制量ua(t)，該控制量ua(t)輸出至飼服作動設備，進而控制飛機。當需要控制律由A轉至B時，機載飛行控制計算機將控制律B中的積分器進行初始化，并根據偏差e(t)和控制律B計算控制量ub(t)輸出。
積分器的初值表征了該積分器工作的初始狀態(tài)，通常在控制律開始起作用時，積分器的初值為零。此時當兩個不同控制律之間進行切換時，新切入控制律的輸出值取決于比例環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，若控制目標和結構參數不同，則會產生較大差異，導致控制律輸出突變。因此，本發(fā)明中將原控制律A的輸出引入新控制律B的積分器初值的計算，使得兩者在切換瞬間的輸出相同，則能夠起到平穩(wěn)切換的目的。
下面給出具體的步驟如下 步驟一計算控制律切換時刻(t0時刻)的控制量。則此時可通過飛控計算機得到控制律A的控制量為ua(t0)；控制律B采用PID積分形式結構，則控制律B的控制量ub(t0)為 由于則有 其中KP、KI、KD、e(t0)、

為已知量，積分器初值x0作為未知量。
步驟二解算切換時刻控制量ub(t0)的積分器的初值x0。
令ua(t0)＝ub(t0)，解算該方程得到 步驟三將積分器的初值x0帶入控制律B得到控制輸出u(t)。
將式(6)帶入式(2)得式(7) 在t0時刻，控制律B的輸出與控制律A的輸出相等，因此可實現控制律A和B之間的平穩(wěn)切換；t0時刻以后，控制律B以控制量u(t)進行輸出。
實施例 如圖3所示是基于積分器的控制律平穩(wěn)切換實例示意圖，假設控制律切換瞬間為t0＝5，控制律A的輸出為10，控制律B采用了PID結構，其中KP＝2，KI＝1，KD＝0，反饋量與期望的偏差為斜率為0.1的斜坡輸入，即e(t)＝0.1t。此時若不進行軟化，而直接進行切換，則控制律輸出將會出現跳變，如圖4所示。若此時采用線性軟化方法，選取軟化時限T為10s，則在5s至15s內， u(t)＝ua(t).(1-(t-5)/10)+ub(t).(t-5)/10 線性軟化結果如圖5所示。
采用本發(fā)明提供的基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法，可按照以下步驟實現 步驟一計算控制律切換時刻(t0時刻)的控制量。
ua(5)＝10； 步驟二解算切換時刻控制量ub(t0)的積分器的初值x0。
令ua(5)＝ub(5)，解算該方程得到積分器的初值x0 10＝1+x0 解得 x0＝9 步驟三將積分器的初值x0帶入控制律B得到控制輸出 圖6是應用本發(fā)明提供的切換方法進行積分器初值軟化后的結果圖，軟化輸出曲線上沒有發(fā)生跳變。
權利要求
1.一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法，其特征在于包括如下步驟，
步驟一計算控制律切換時刻(t0時刻)的控制量ua(t0)、ub(t0)，其中控制律B采用PID積分形式結構，則控制律B的控制量ub(t0)為
步驟二令ua(t0)＝ub(t0)，解算切換時刻控制量ub(t0)的積分器的初值x0
步驟三將積分器的初值x0帶入控制律B得到控制輸出u(t)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于積分器的控制律平穩(wěn)切換方法，本發(fā)明的控制律平穩(wěn)切換方法通過計算由控制律A切換至控制律B時刻(t0時刻)的控制量ua(t0)、ub(t0)；令ua(t0)＝ub(t0)，解算切換時刻控制量ub(t0)的積分器的初值x0；將積分器的初值x0帶入控制律B得到控制輸出，實現控制律的平穩(wěn)切換。實際運行過程中只針對接入模態(tài)進行一次計算，運行效率高，控制律切換實現更為簡單；無重疊運算，保證飛機控制系統的穩(wěn)定性。
文檔編號G05B11/40GK101221414SQ20071030858
公開日2008年7月16日 申請日期2007年12月29日 優(yōu)先權日2007年12月29日
發(fā)明者官漢增, 勇 王, 方曉星 申請人:北京航空航天大學