專利名稱：一種基于符號控制的飛機(jī)起飛控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于符號控制(Symbolic Control)的飛機(jī)起飛控制方法，屬于控制理論技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
飛機(jī)起飛控制由于其時間短，狀態(tài)點(diǎn)多，使得控制問題復(fù)雜，且需要控制精度較高，歷來是飛機(jī)控制研究中的難點(diǎn)。飛機(jī)起飛過程包括滑跑、前輪抬起和空中飛行。其中以滑跑階段和前輪抬起階段的控制難度最大。對于一般的控制方法，需要事先調(diào)整數(shù)量巨大的控制參數(shù)，并在控制過程中頻繁地切換參數(shù)，控制器設(shè)計(jì)任務(wù)十分繁重。從二十世紀(jì)七十年代以來，隨著航空技術(shù)的發(fā)展，由于飛機(jī)本身不完善而造成的事故逐年遞減。相對而言，飛機(jī)的主要事故發(fā)生在起飛階段。在起飛階段造成的飛行事故日益引起航空界的關(guān)注，成為航空工作者和氣象科學(xué)工作者的共同研究課題。有關(guān)符號控制的研究已經(jīng)有十幾年的歷史了，從一階倒立擺的控制，到對機(jī)器人局部運(yùn)動關(guān)節(jié)和小型直升飛機(jī)的簡單控制，再到控制系統(tǒng)的導(dǎo)航。人們在尋求一種控制方法可以高效控制物理系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換、簡化系統(tǒng)的控制律設(shè)計(jì)，或者有效的控制復(fù)雜或混合系統(tǒng)。這里的符號是廣義的，可以指字母，可以指數(shù)字，也可以是它們的組合，具體要看所研究的問題形式以及需要達(dá)到的要求。符號控制可以產(chǎn)生有限個輸入，控制系統(tǒng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移，通過簡化控制器設(shè)計(jì)來減少計(jì)算機(jī)存儲和系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以根據(jù)要求在任意給定的精度范圍內(nèi)達(dá)到控制系統(tǒng)的目的。要求控制系統(tǒng)必須為可控且可觀的。符號控制通過將一個空間中的控制問題變換到另一個更簡單的空間中去，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)分析和控制的目的，與數(shù)字信號處理理論中的頻域和時域的關(guān)系頗為相似。符號控制將控制輸入量的求取與求解給定區(qū)間長度的最優(yōu)覆蓋問題聯(lián)系起來，在給定整數(shù)區(qū)間長度的情況下，求解一個步數(shù)和幾個控制量，使這些控制量在不超過最大步數(shù)的情況下以精度1完全覆蓋這一區(qū)間長度。符號控制方法作為一種新式的前沿方法，具有巨大的潛力。國際上，對符號控制的的研究仍然處于探索階段，而在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域中，對符號控制的研究尚屬空白。該發(fā)明在國內(nèi)中屬于首次探索，通過對符號控制的學(xué)習(xí)研究，可以為后來的相關(guān)研究提供借鑒與參考。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種基于符號控制的飛機(jī)起飛控制方法，它是一種設(shè)計(jì)簡單并且控制精度較高的飛機(jī)起飛控制解決方法。此方法也可移植于其它復(fù)雜的控制律設(shè)計(jì)問題。該方法利用符號控制求取控制輸入，將飛機(jī)狀態(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移至目標(biāo)狀態(tài)，從而保證整個起飛過程中飛機(jī)的穩(wěn)定性。該方法充分利用了矩陣空間變換在控制律設(shè)計(jì)中的簡潔和普適性。2、技術(shù)方案本發(fā)明提出一種基于符號控制的飛機(jī)起飛控制方法，其具體思路是將大型飛機(jī)多模態(tài)運(yùn)動分解成有限個含有字母和單詞的輸入符號，并構(gòu)建相應(yīng)的符號指令集，指令集由具有可逆性和互通性的編碼符號組成，指令集中的符號指令可通過具有有限傳輸能力的信道發(fā)送給處理單元，隨后接收到所傳符號指令的飛行器控制單元再將其解碼成相應(yīng)的控制行為指令。符號控制正是由于它的簡潔靈活能夠有助于我們快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)信息的傳入傳出。其具體過程如

圖1所示。在實(shí)際控制中，具體操作指令將編碼為一系列符號通過有限帶寬連接傳遞至控制系統(tǒng)中，作為符號輸入，隨后進(jìn)行符號解碼輸入至下一級閉環(huán)控制子系統(tǒng)，作為其部分輸入與參量來源，當(dāng)控制子系統(tǒng)輸出控制量并控制最終模型后，將物理模型的反饋結(jié)果一部分反饋至閉環(huán)控制子系統(tǒng)作為其優(yōu)化根據(jù)，同時，反饋結(jié)果會被符號編碼反饋至符號控制的輸入端，為符號控制提供符號反饋。因此，符號控制能形成比閉環(huán)控制子系統(tǒng)形成更為高階的閉環(huán)控制，從而應(yīng)對模型出現(xiàn)的不確定性問題。本發(fā)明一種基于符號控制的飛機(jī)起飛控制方法，該方法的具體步驟如下步驟一飛機(jī)起飛數(shù)學(xué)模型的建立(1)飛機(jī)起飛非線性數(shù)學(xué)模型的建立利用飛機(jī)的氣動數(shù)據(jù)和物理方程，建立起飛滑跑和空中飛行狀態(tài)下飛機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型；(2)非線性模型的線性化利用基于小擾動原理的線性化方法，在起飛滑跑和空中飛行狀態(tài)下利用泰勒級數(shù)將非線性方程展開并僅保留其一次項(xiàng)，得到此平衡點(diǎn)下的小擾動線性方程。利用這一線性方程，進(jìn)行接下來起飛特性分析與控制律設(shè)計(jì)。步驟二 確定控制結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)輸出作為反饋量進(jìn)行全狀態(tài)反饋，利用符號控制方法計(jì)算控制輸入。利用符號控制器器搭建控制結(jié)構(gòu)框圖，如圖5所示。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可表示為Χ = +萬f/，其中，U表示系統(tǒng)輸入，Xg表示要達(dá)到的目標(biāo)，狀態(tài)X = (V，α，θ，q)T表示飛機(jī)的狀態(tài)，V, α , θ，q分別表示飛機(jī)的速度、飛機(jī)的
迎角、飛機(jī)的俯仰角與飛機(jī)俯仰角速度。X為飛機(jī)狀態(tài)的一階導(dǎo)數(shù)，A和B為系統(tǒng)的線性矩陣。步驟三首先將控制系統(tǒng)離散化，令采樣時間為t，得到離散的系統(tǒng)方程G和H，通過線性反饋得到當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)的差ΔΧ，通過可控標(biāo)準(zhǔn)型矩陣變換操作求取至Brunovsky標(biāo)準(zhǔn)型的變換矩陣T。
權(quán)利要求
1. 一種基于符號控制的飛機(jī)起飛控制方法，其特征在于該方法的具體步驟如下 步驟一飛機(jī)起飛數(shù)學(xué)模型的建立(1)飛機(jī)起飛非線性數(shù)學(xué)模型的建立利用飛機(jī)的氣動數(shù)據(jù)和物理方程，建立起飛滑跑和空中飛行狀態(tài)下飛機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型；(2)非線性模型的線性化利用基于小擾動原理的線性化方法，在起飛滑跑和空中飛行狀態(tài)下利用泰勒級數(shù)將非線性方程展開并僅保留其一次項(xiàng)，得到此平衡點(diǎn)下的小擾動線性方程，利用這一線性方程， 進(jìn)行接下來起飛特性分析與控制律設(shè)計(jì)； 步驟二 確定控制結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)輸出作為反饋量進(jìn)行全狀態(tài)反饋，利用符號控制方法計(jì)算控制輸入，利用符號控制器搭建控制結(jié)構(gòu)框圖；整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表示為X = WZ +萬f/，其中，U表示系統(tǒng)輸入，)(8表示要達(dá)到的目標(biāo)，狀態(tài)X = (V，α，θ，q)T表示飛機(jī)的狀態(tài)，V, α , θ，q分別表示飛機(jī)的速度、飛機(jī)的迎角、飛機(jī)的俯仰角與飛機(jī)俯仰角速度，X為飛機(jī)狀態(tài)的一階導(dǎo)數(shù)，A和B為系統(tǒng)的線性矩陣；步驟三首先將控制系統(tǒng)離散化，令采樣時間為t，得到離散的系統(tǒng)方程G和H，通過線性反饋得到當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)和目標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)的差ΔΧ，通過可控標(biāo)準(zhǔn)型矩陣變換操作求取至 Brunovsky標(biāo)準(zhǔn)型的變換矩陣T ； ~h ‘ h*GΤ—1 = 2(1)h*G2h*G3其中h為將G、H變換為可控標(biāo)準(zhǔn)型的變換矩陣的最后一行； 步驟四在Brunovsky坐標(biāo)下求取需要的狀態(tài)轉(zhuǎn)移量Δ)(Β Δ Xb = T-1 Δ X(2)步驟五在Brunovsky坐標(biāo)下求取晶格glma的大小 glma = 2*e/kama(3)其中，e為給定的控制精度，其中的矩陣kama由下面的方程給出kesi = T*[\n\]Tkama = ^Jkesi(l,l)2 + kesi(2,l)2 + kesi(3,l)2 + kesi(4,l)2(4)步驟六求取在晶格度量下離目標(biāo)狀態(tài)最近的點(diǎn)，即計(jì)算正整數(shù)kl，使得kl*glma與 delt0_4的差最小，delt0_4由下式給出delt0_4 = (ΔΧβ(1, 1) +Δ Xb (2,1) +Δ Xb (3,1) +Δ Xb (4,1))/4(5)步驟七通過搜索計(jì)算Brunovsky坐標(biāo)的多個控制量ul、u2、u3，和多個控制次數(shù)i、j、 k，使它們滿足i*ul+j*u2+k*u3 = kl(6)規(guī)定正整數(shù)N，當(dāng)N為偶數(shù)時u3 = Ν2/4+3Ν/2+1 u2 = u3-lul = U3-N/2-1(7)當(dāng)N為奇數(shù)吋 u3 = N2/4+3N/2+5/4 u2 = u3-lul = u3-(N+l)/2-l(8)且有O < i < N-I O < j < N-l-iO < k < N-l-i-j(9)步驟八求取Brunovsky坐標(biāo)下控制輸入V V = [ulul. . . ulu2u2. . . u2u3u3. . . u3](10)V是ー個一維矩陣，其中ul、u2、u3按照上式的方式順序排列，ul、u2、u3分別有i、j、 k個；步驟九將控制輸入V通過變換從Brimovsky坐標(biāo)變換回原坐標(biāo)，得到控制輸入U(xiǎn) U = 2*glma*V/kama。(11)
全文摘要
一種基于符號控制的飛機(jī)起飛控制方法，它有九大步驟一、飛機(jī)起飛數(shù)學(xué)模型的建立；二、飛機(jī)非線性數(shù)學(xué)模型的線性化；三、控制系統(tǒng)離散化，求取至Brunovsky標(biāo)準(zhǔn)型的變換矩陣；四、在Brunovsky坐標(biāo)下求取需要的狀態(tài)轉(zhuǎn)移量；五、根據(jù)給定誤差在Brunovsky坐標(biāo)下求取晶格的大?。涣?、求取在晶格度量下離目標(biāo)狀態(tài)最近的點(diǎn)；七、通過搜索計(jì)算Brunovsky坐標(biāo)的多個控制量和多個控制次數(shù)；求取Brunovsky坐標(biāo)下控制輸入；九、將控制輸入通過變換從Brunovsky坐標(biāo)變換回原坐標(biāo)得到控制輸入。本發(fā)明充分利用了矩陣空間變換在控制律設(shè)計(jì)中的簡潔和普適性，是一種設(shè)計(jì)簡單控制精度較高的飛機(jī)起飛控制方法。
文檔編號G05D1/00GK102541055SQ20121000217
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者段海濱, 羅琪楠 申請人:北京航空航天大學(xué)