依据飞行器飞行条件优化设计自动驾驶仪参数的方法论文_张宾伟

摘要：飞行器自动驾驶仪设计的意义在于利用测量量产生稳定的响应，精确跟踪输入指令，增大飞行器阻尼，稳定气动增益，保证飞行器稳定飞行，快速响应指令，提供高机动性。通过飞行器被控对象的特性，对被控对象的特性对设计过程、设计方法和控制特性进行了系统分析，详细推导常用控制结构的利弊，再针对飞行器飞行特点设计使用了三回路控制结构。在飞行过程中会出现静中立稳定和静不稳定的问题，文中所用的控制结构很好地解决了飞行过程中静不稳定问题，消除了常值舵机零位误差的影响，稳态传递系数不受气动参数变化的影响。

关键词：飞行器；自动驾驶仪；设计

现代机动飞行器的特点是在它的飞行区域内能迅速改变其飞行特性，稳定控制回路是飞行器实现稳定飞行和具有良好操纵性的保障，在飞行的某些阶段中难免会出现静中立稳定和静不稳定的情况，行业内常用的两回路控制器，用于静不稳定的弹体会使其稳定性下降，常用的过载控制器，其控制参数的确定过程非常麻烦。通过对几种过载反馈控制回路的传递函数进行了详细推导，对其效果和适用的场合进行了分析比较，设计了一种专用的三回路控制结构，用于本飞行器的控制策略中，可以很好地解决静不稳定控制问题，且确定控制参数的过程简单，工程实用性强。

一、优化设计自动驾驶仪参数的方法

增益调度法是设计非定常、非线性系统的近似线性化方法之一，基于增益调度法进行稳定控制回路设计有步骤：按已确定的控制系统结构及作为被控对象的飞行器，设计初步的控制规律；在一定数量的特征点上，按设计要求的系统性能指标，进行自动驾驶仪参数的定点设计；在步骤定点设计的基础上，进行整个飞行空域内的自动驾驶仪参数优化拟合设计，只有这样，才有可能保证飞行器在所有预期的飞行条件下都具有良好的稳定性和操纵性，传统的设计要经过反复的试凑、大量的计算和仿真$此外，还要求设计人员具有深厚的工程实际经验的复杂性与工作量的繁重随自动驾驶仪的参数增加而增大，为了加速和减轻设计工作。

二、两回路过载反馈自动驾驶仪

1、常规过载驾驶仪，过载驾驶仪如图所示。

飞行器传递函数为：

根据自动控制原理，将输出量的速度信号反馈到系统的输入端，可以增大系统的阻尼，使系统的动态过程超调量下降，对于静稳定的飞行器，引入角速率回路可以有效提高飞行器的阻尼，改善控制回路的稳定性。对于静不稳定飞行器，飞行器传递函数为：

由判据可知，当kr足够大，使Kma·kr－1＞0时，也可以实现稳定控制，但实际工程中，舵机频带有限，受到舵机频带等因素的制约，kr不能取太大，因此限制了阻尼回路的增稳作用。为了改善系统的性能，引入了过载回路，构成了上述典型的过载驾驶仪。典型的过载驾驶仪对于舵机零位误差输入都是零型系统，存在固有的稳态误差。

2、带积分校正的过载驾驶仪。为了消除稳态误差，可以在回路的基础上采用积分校正，形成带积分校正的过载驾驶仪，如图所示。

从A到B的传递函数有一个零根，一对阻尼回路稳定根，和舵机环节引入的根;三回路驾驶仪从C到D的传递函数所含的积分环节和微分环节相消，剩下姿态驾驶仪产生的一对根，一个姿态驾驶仪固有的慢根和由舵机环节引入的根。两系统舵机引入的根相近，代入特征点的飞行器特性参数，计算得知，传递函数C到D增稳后的根比传递函数A到B仅用阻尼增稳的根距虚轴远，且其慢根比传递函数A到B的零根离虚轴远，因此可知，三回路驾驶仪快于加积分校正的过载驾驶仪。

3、带前馈和积分校正的过载驾驶仪。为了加快带积分校正的过载驾驶仪的响应速度，可以在图的基础上引入前馈kq，在控制系统设计中，引入前馈有很多好处，在程序制导且有大机动时，加入前馈可以在不增加系统带宽的情况下快速实现机动，不影响系统的动态特性，克服了带积分校正的过载驾驶仪响应不够快的缺点，该类控制结构在某些飞行器中得到了应用。但是在本飞行器中，飞行时序特点决定了不宜引入前馈: 因为在程序制导段，无大机动，攻角基本为0，引入前馈没有实际控制作用; 而在大机动段，即拉起攻角段，采用非程序制导，制导指令的变化率未知，此时不宜引入前馈。因此，在本飞行器的设计中未使用两回路的控制方式。

三、三回路驾驶仪的优势

1、稳态特性与气动参数无关。按照控制结构推导从期望过载到实际过载的闭环传递函数为式：

可见，稳态时，系统的特性只取决于相应的控制参数kc和速度，而与气动参数无关，即气动参数变化时，系统响应的稳态值不受影响。飞行器速度和控制参数对稳态值的影响，可以在过载回路之外增加增益调节函数：

使从期望过载到实际过载的闭环增益为1。

2、舵机零位误差的影响。按照控制结构推导从舵机处的干扰量到实际过载的闭环传递函数为：

可见，达到稳态时，系统对干扰量的响应终值为0，即系统对于常值的舵机零位误差没有稳态过载响应。在阶跃响应的作用下增加舵机常值零位干扰量进行仿真，可见稳态值为1，即对舵机常值零位没有稳态响应。如图所示。

3、对静不稳定飞行器的稳定作用。沿飞行轨迹计算该飞行器，在主动段有个别特征点静稳定度较低，处于临界静稳定状态，在干扰作用下，容易出现静不稳的现象，由计算结果可知满载时存在静稳定、静中立稳定、静不稳定状态，最大静不稳定度为－8．19%;为了改善阻尼特性，引入由俯仰角速度构成的负反馈，选择合适的由姿态角速度到舵偏角的反馈增益k11，就能改善静稳定飞行器的阻尼特性，稳定静不稳定的飞行器，机理如下:纵向力矩平衡方程为:

静稳定的飞行器，质心在压心前，当出现干扰力矩Mf时，飞行器产生α和wz，由于攻角产生的力矩mαz·α与干扰力矩相反，因此有稳定飞行器的作用;若飞行器静不稳定，则攻角产生的力矩mαz·α与干扰力矩相同，无法起到稳定作用，所以如果要使飞行器稳定，就要选择合适的参数，使mδz·δ足够克服干扰。已知δ=k11·wz，因此选择足够大的k11即可使控制力矩mδz·δ足够大，克服干扰力矩，实现飞行器稳定。但k11不可太大，因为阻尼回路中，过大的增益导致带宽过大，容易引起回路的振荡或者失稳。三回路控制结构中的稳定回路可以解决这个矛盾。引入稳定回路后，纵向力矩平衡方程为:

式中，Mf为干扰力矩;mαz·α为攻角产生的力矩，在静不稳定情况下，它使不稳定力矩的增量为M1;它使稳定力矩的增量为M2，该数值很小;mδz·(k11·wz)为阻尼回路产生的稳定控制力矩，它使稳定力矩增量为M3，该值受k11的限制不能太大;mδz·(k11·k01·α)是中间回路即稳定回路产生的控制力矩，它使稳定力矩的增量为M4，通过合理选择k11和k01可以使稳定力矩足够大，使M4+M3+M2抵消M1+Mf，实现了本课题中静不稳定飞行器的稳定控制。

结论

根据某飞行器的飞行时序特点，分析了被控对象的特性，针对被控对象的特性设计使用了带稳定回路的控制结构，采用该控制结构的原因和利弊。该飞行器在飞行过程中会出现静中立稳定和静不稳定的问题，文中所选用的控制结构很好地解决了静不稳定的控制问题，并且消除了常值舵机零位误差的影响，稳态传递系数不受气动参数变化的影响。

参考文献：

［1］郭宗易，周军，郭建国．新型高超声速飞行器耦合姿态控制系统设计［J］．宇航学报，2017，38(3)．

［2］赵坤，曹登庆，黄文虎．基于自抗扰控制的弹头制导与控制一体化设计［J］．宇航学报，2017，38(10).

［3］殷春，武立君．飞航导弹横侧通道协调变结构飞行控制系统设计［J］．航天控制，2018，36(1)．

论文作者:张宾伟

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第20期

论文发表时间:2020/4/28

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