本发明涉及飞行器控制，尤其涉及超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法、系统和控制装置。
背景技术：
1、穿透性制空以突破对抗防区并进行有效侦察、纵深打击和肃清空域，从而夺取空中优势为主要目的，是未来空战的重要作战样式。超声速无尾布局带来的全向极低隐身能力使超声速无尾飞行器(supersonic tailless aerial vehicle,stav)能够突入高烈度对抗的“反介入/区域拒止”环境，因此成为下一代战机气动布局的最佳选择。但stav无传统的平尾与垂尾，俯仰与偏航控制较为困难。为保证发动机进气道正常工作与机体尾部气动舵的操纵效率，需要对攻角与侧滑角范围进行限制，即所谓安全约束；此外，为实现有效的姿态控制或轨迹的高精度跟踪，还需要对气流角的跟踪误差进行限制，即所谓性能约束。因此，开展面向穿透制空任务的stav姿态跟踪控制方法研究面临着以下问题与挑战：一是在stav高空穿透过程中，飞行器攻角与侧滑角必须保持在合适的范围，以确保进气道正常工作，尤其是确保巡航阶段发动机燃烧效率处于最佳状态；二是stav低空突防时，要避免攻角与侧滑角过大，使机体前端产生过强的紊流，导致机体后方气动舵面完全浸入低能的失速尾流中，舵面操纵效能急剧下降；三是气流角需要保持极高的跟踪精度，才能进一步实现高精度的轨迹跟踪，以穿透防区或避开地面障碍物。因此，开展stav双通道耦合性能约束研究具有极大意义。
2、在现有的控制理论研究中，状态约束通常通过障碍lyapunov函数来实现，误差约束通常通过预设性能控制或漏斗控制实现，三种控制方法本质上都是非线性整定的比例控制，漏斗控制概念提出最早，对控制过程描述更形象。漏斗控制指通过设计控制律使跟踪误差以预设的收敛速度和最大超调量收敛到可调的残差集合中。理论研究所关注的典型的问题包括：控制方向未知、输入非线性与未知非线性项的处理方式等。bechlioulis c p等人基于拉格朗日中值定理将一类非仿射纯反馈系统变换为伪仿射系统，并设计了无需任何估计器的漏斗控制器。针对带死区输入非线性的严反馈系统，theodorakopoulos a等人结合反推法设计了漏斗控制器，并将该方法推广到多输入多输出线性系统。
3、在飞行控制研究领域，已有的研究成果大多致力于将ilchmanna与bechlioulis等学者提出的漏斗控制方法推广到其它更复杂的系统中，而对漏斗控制方法本身的改进较少且鲜有文献将漏斗控制应用于stav飞行控制领域。在工程实际中，无论是stav姿态角控制还是轨迹跟踪控制都希望实现符合飞行器特性的非矩形域约束。然而，现有的大部分研究都是针对解耦后的通道单独构造界限函数，所设计的控制器不仅无法实现双通道耦合性能约束，且无法同时兼顾安全约束与误差约束。由于漏斗控制方法只能对姿态角跟踪误差进行约束，通过结合指令信号与跟踪误差如何实现非矩形域状态约束，以及在满足stav姿态角约束的同时，如何保证执行器约束还有待进一步研究。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法、系统和控制装置，该方法首先对stav攻角与侧滑角耦合的安全约束与性能约束进行数学描述，并定义“控制约束”；然后，针对通道耦合与约束耦合问题，分别提出耦合指令滤波器与耦合漏斗控制两种处理思路；最后，基于非线性动态逆设计思想，设计耦合漏斗控制器；该控制方法不仅能满足stav姿态控制的安全约束与性能约束，还具有很强的鲁棒性。
2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
3、超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，包括以下步骤，
4、s1：建立超声速无尾飞行器的姿态控制模型；
5、s2：基于双通道耦合约束，确定超声速无尾飞行器耦合控制的控制约束条件；
6、s3：设计耦合漏斗控制器，对超声速无尾飞行器的姿态和力矩分配进行控制。
7、进一步的，步骤s1中所述的超声速无尾飞行器的姿态控制模型为
8、
9、式中，x1,x2,x3,x4为stav系统状态，u为气动力矩，τ为气动力矩系数；g3为机体坐标系到气流坐标系的转换矩阵，g4为力矩到姿态角角速率的转换矩阵，gτ为力矩系数到力矩的转换矩阵；表示动压，sref表示飞行器参考面积；δ为气动舵面组成的向量；da(t),dr(t)为未知外部干扰；f3(x1,x2,x3),f4(x1,x2,x3,x4),fτ(x1,x2,x3,x4)为与系统状态相关的非线性函数；φ(x1,x2,x3,x4,δ)为非仿射函数。
10、进一步的，步骤s2的具体操作包括以下步骤，
11、s201：确定超声速无尾飞行器的攻角α与侧滑角β双通道非矩形域安全约束条件，并对非矩形域安全约束进行数学描述；
12、s202：设计双通道耦合指令滤波器；
13、s203：基于性能约束与安全约束，定义双通道耦合控制约束，确定控制约束条件。
14、进一步的，步骤s202中的双通道耦合指令滤波器为
15、
16、其中，下标c表示指令信号，下标d表示理想信号；cosh表示双曲余弦函数，tanh表示正切函数，ξα＞0与ξβ＞0为待设计的滤波器补偿参数，κα＞0与κβ＞0待设计的滤波器收敛参数。
17、进一步的，步骤s203的具体操作包括以下步骤，
18、s2031：定义气流角跟踪误差分别为与则气流角误差满足误差约束
19、
20、式中，εβ(t),εα(t),εμ(t)为误差包络函数；
21、s2032：基于误差约束定义性能约束为
22、
23、其中，
24、s2033：基于双通道耦合约束，定义安全约束为
25、
26、其中，
27、s2034：基于性能约束与安全约束，定义控制约束为
28、
29、其中，为补偿因子。
30、进一步的，步骤s3的具体操作包括以下步骤，
31、s301：将超声速无尾飞行器的姿态控制模型改写为跟踪误差微分方程
32、
33、其中，x3,d为气流角指令信号，x4,c为待设计的虚拟角速度指令，为反推控制层级之间的跟踪误差，uc为待分配的三轴力矩，为力矩分配误差，τc为待分配的虚拟力矩系数；
34、s302：设计双通道耦合漏斗控制器x4,c,uc与力矩控制分配律，使stav气流角x3能跟稳定踪指令信号x3,d＝[μd,αd，βd]t。
35、进一步的，步骤s302中所述的x4,c控制律为
36、
37、uc的控制律为
38、
39、式中，x4,c＝[pc,qc,rc]t为虚拟控制输入，uc＝[mx,c,my,c,mz,c]t为虚拟控制输入力矩；p,q,r分别为滚转、俯仰和偏航角速率；ka＝diag(kα,kβ,kμ)和k4＝diag(kp,kq,kr)为正定对角矩阵，tr(ζ(t))表示误差转换函数，kα,kβ,kμ为各通道待设计的比例增益，ζ(t)表示标准化误差变量。
40、进一步的，步骤s302中所述的力矩控制分配律为
41、
42、式中，δp是舵面零偏转时的控制输入，δ0是当前的控制输入，τ＝φ(x,δ)为非仿射函数，δδ＝δ-δ0是下一时间步长与当前舵偏角的差距，为待设计量；τ0和τc分别表示当前舵偏角产生的力矩系数与为跟踪姿态指令信号所需的力矩系数，目标函数由两部分组成：||τc-τ||2旨在实现力矩分配误差最小；||δ-δp||2旨在兼顾总舵偏量最小，q,w为权值矩阵，binc为增量舵效矩阵。
43、进一步的，本发明还包括超声速无尾飞行器双通道耦合控制系统，所述控制系统具体包括姿态控制模型建立模块、控制约束定义模块和控制模块；
44、所述姿态控制模型建立模块用于建立超声速无尾飞行器的姿态控制模型；
45、所述控制约束定义模块用于确定超声速无尾飞行器耦合控制的控制约束条件；
46、所述控制器模块用于对超声速无尾飞行器的姿态和力矩分配进行控制；
47、所述姿态控制模型建立模块、控制约束定义模块和控制模块基于如前所述的控制方法实现。
48、进一步的，本发明还包括超声速无尾飞行器双通道耦合控制装置，所述控制装置具体包括至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如前所述的控制方法。
49、本发明的有益效果是：
50、1、本发明中的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，从整体方案上来看，首先建立超声速无尾飞行器的姿态控制模型，然后对超声速无尾飞行器攻角与侧滑角耦合的安全约束与性能约束进行数学描述，并定义“控制约束”。接着，针对通道耦合与约束耦合问题，分别提出耦合指令滤波器与耦合漏斗控制两种处理思路。最后，基于非线性动态逆设计思想，设计耦合漏斗控制器。仿真实验验证，该控制方法不仅能满足stav姿态控制的安全约束与性能约束，还具有很强的鲁棒性，能够适用于高空穿透与低空突防两种典型任务场景中。
51、2、本发明中针对stav攻角与侧滑角安全约束相互耦合的问题，提出以攻角为主导的非矩形可行域数学描述方法。通过将非矩形域分割为若干个连续的便于描述的梯形域，即可对双通道耦合安全约束进行精确刻画，避免了极坐标转化的复杂过程。
52、3、本发明中设计出了一种可对航迹角跟踪误差进行补偿的耦合指令滤波器，解决了攻角与侧滑角上下限通道耦合问题；此外，通过定义“控制约束”(control-orientedconstraints)，实现安全约束与误差约束的统一描述，为设计双通道耦合漏斗控制器创造了条件。
53、4、本发明针对stav风洞数据模型，结合增量式控制分配与非线性动态逆控制方法，设计无需任何估计器的双通道耦合漏斗控制器。控制器不仅能满足stav高空/低空穿透任务中姿态控制的安全约束与性能约束，还具有较强的鲁棒性。
1.超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于：步骤s1中所述的超声速无尾飞行器的姿态控制模型为
3.根据权利要求2所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，步骤s2的具体操作包括以下步骤，
4.根据权利要求3所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，步骤s202中的双通道耦合指令滤波器为
5.根据权利要求4所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，步骤s203的具体操作包括以下步骤，
6.根据权利要求5所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，步骤s3的具体操作包括以下步骤，
7.根据权利要求6所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，步骤s302中所述的x4,c控制律为
8.根据权利要求6所述的超声速无尾飞行器双通道耦合控制方法，其特征在于，步骤s302中所述的力矩控制分配律为
9.超声速无尾飞行器双通道耦合控制系统，其特征在于：包括姿态控制模型建立模块、控制约束定义模块和控制模块；
10.超声速无尾飞行器双通道耦合控制装置，其特征在于，包括至少一个处理器；以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行权利要求1-8任一项所述的控制方法。
