某型无人机的速度闭环控制设计_韩本刚.pdf

收稿日期：2021-08-31修回日期：2021-11-17作者简介：韩本刚（1982-），男，吉林磐石人，硕士，高级工程师。研究方向：无人机飞行控制系统设计及仿真。摘要：为实现某型无人机定速飞行功能以提升用户操控体验，通过分析无人机实际飞行观测数据，采用系统仿真拟合反向参数辨识方法获取发动机模型参数，构建无人机飞行速度-发动机转速的闭环 PI 控制策略并选定合适的控制参数。经仿真测试和实际飞行验证，该方法得到的发动机模型参数可用于无人机飞行速度-发动机转速的闭环控制设计，能够满足无人机定速飞行实际使用要求。关键词：无人机；发动机；速度闭环控制；参数辨识中图分类号：V249文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1002-0640.2022.11.026引用格式：韩本刚，毛师彬.某型无人机的速度闭环控制设计 J.火力与指挥控制，2022，47（11）：159-163.某型无人机的速度闭环控制设计韩本刚，毛师彬（南京模拟技术研究所，南京210016）Speed Closed Loop Control Design of a UAVHAN Bengang，MAO Shibin（Nanjing Research Institute on Simulation Technique，Nanjing 210016，China）Abstract：In order to realize the constant speed flight function of a UAV and to improve the users control experience，the engine model parameters are obtained by analyzing the actual flight recordeddata of UAV and utilizing fitting inverse parameter identification method of system simulation，and theclosed-loop PI control strategy of UAV flight speed and engine rotation speed is constructed，and theappropriate control parameters are selected.Through the simulation test and actual flight verification，the engine model parameters obtained by this method can be used in the design of the closed-loopcontrol of UAV flight speed and engine rotation speed，and they can meet the actual operationrequirements of constant speed flight of UAV.Key words：UAV；engine；speed closed-loop control；parameter identificationCitation format：HAN B G，MAO S B.Speed closed loop control design of a UAVJ.Fire Control&Command Control，2022，47（11）：159-163.0引言某型无人机使用涡轮喷气式发动机提供飞行动力，但因缺少必要的发动机动态特性模型，初始未设计无人机-发动机大系统的闭环控制。随着无人机使用过程中对速度稳定精度要求的不断提升，需要增加无人机-发动机大系统的闭环控制来实现无人机飞行速度自动跟踪和调节，以满足实际使用需求。针对采用涡轮喷气式发动机的固定翼类飞行器速度控制设计方法在文献 1-2 中有详细阐述，在文献 3-9 中也有涉及固定翼类飞行器速度控制设计及仿真分析等相关内容。具体到文中研究的无人机对象，其自身的总体参数和气动数据均为已知量，可以建立无人机运动特性模型。要开展速度闭环控制设计，重点是如何获取必要的发动机动态特性模型。考虑到该型无人机已实际使用，积累有大量的飞行观测数据，可用于发动机动态特性模型辨识。因此，本文基于无人机飞行观测数据，通过系统仿真拟合反向参数辨识的方法得到发动机模型参文章编号：1002-0640（2022）11-0159-05Vol.47，No.11Nov，2022火 力 与 指 挥 控 制Fire Control&Command Control第 47 卷第 11 期2022 年 11 月159（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期数，并建立发动机转速至无人机速度的传递函数，进而完成无人机速度闭环控制设计。1无人机-发动机关系建模文中研究的无人机采用中单翼和型尾翼的常规布局形式，尾部安装一台 130 kg 级的小型涡轮喷气式发动机。该型无人机用于模拟亚音速巡航导弹类目标特征，使用火箭助推起飞和伞降回收方式，不涉及滑跑起飞和着陆，速度闭环控制主要是针对无人机空中巡航段。建立无人机-发动机关系框图，如图 1 所示。开展无人机速度闭环控制设计，前提是获取传递函数G（s）和 F（s）。其中，G（s）表示以发动机油阀开度为输入与发动机推力为输出的传递函数，F（s）表示以发动机推力为输入与无人机速度为输出的传递函数。图 1无人机-发动机关系框图1.1传递函数 F（s）的建立采用小扰动方法8-10能够得到线性化的无人机运动状态方程组，可通过拉普拉斯变换将状态方程组可转化成各单输入单输出的传递函数。描述无人机纵向运动的状态方程组为：（1）其中，状态分别对应空速偏差小量、迎角偏差小量、俯仰角速度偏差小量、俯仰角偏差小量，输入分别对应升降舵偏差小量及推力偏差小量。方程组中系数矩阵 A 和 B 通过研究对象的质量、转动惯量、翼展长等相关总体参数和气动参数计算获得，表现形式如下：对式（1）进行拉普拉斯变换后，根据克莱姆法则可导出从无人机推力 T（t）到空速 V（t）的传递函数 F（s）。在只考虑推力变化时，V（t）中的长周期分量占绝对优势，短周期分量可忽略不计，则从无人机推力 T（t）到空速 V（t）的传递函数可表示为二阶环节：（2）式（2）反映出单独改变发动机推力只在过渡过程中带来速度变化，而最终稳态时速度是不变的。为使发动机推力的调节主要作用于无人机速度变化上，飞行过程中应保持高度或俯仰角不变。考虑接通高度控制系统的情况下，无人机推力 T（t）到空速 V（t）的传递函数可以近似简化为一阶惯性环节：（3）对于文中研究的无人机其翼展长为 2.0 m、机长为 4.8 m、起飞质量为 260 kg 等总体参数由设计确定，气动参数也已通过风洞试验获取，因此，使用Matlab 软件可较为容易求解出该无人机运动的状态方程组。在 Matlab/Simulink 环境下，基于 S-function编程描述固定翼无人机运动的状态方程组，并利用linmod 函数进行对象模型线性化计算出系数矩阵 A和 B。选取无人机巡航飞行特征状态 H=2 000 m 和V=200 m/s 进行配平线性化可得当对象模型接入俯仰角速度、俯仰角、高度等状态量闭环控制后，在 Matlab/Simulink 环境下进一步线性化求解，可近似得到传递函数1.2传递函数 G（s）的建立发动机推力输出具有较大的惯性，一般从油阀开度改变到推力改变需要一定的时间，发动机的动态特性可以近似为一个惯性环节。由于文中研究的发动机将转速与油阀开度直接映射对照，通过转速控制方式实现发动机工作状态调节。因此，发动机的动态特性可表示为：（4）1602014（总第 47-）式（4）中输入为转速给定增量 R、输出为推力增量 t。惯性环节的增益 kg为单位转速给定增量产生的推力值，时间常数 Tg是从转速给定改变到发动机推力改变的时间延迟。这里只要确定增益 kg和时间常数 Tg，即可得到发动机动态特性模型。2发动机模型 G（s）参数辨识2.1无人机飞行观测数据分析前述分析已知，在无人机定高飞行过程中，发动机状态改变会直接反映无人机飞行速度的变化，那么当剔除外界干扰影响时，无人机定高飞行的观测数据必然包含发动机转速与无人机速度之间的对应关系。这里选取无人机 8 个架次飞行观测数据进行分析，通过对飞行观测数据的筛选，最终选择两组典型的定高变速飞行过程用于辨识发动机转速与无人机速度关系模型。两组典型的无人机定高变速飞行曲线，如图 2 和图 3 所示。图 2第 1 组定高变速飞行曲线图 3第 2 组定高变速飞行曲线两组无人机定高变速飞行曲线反映了不同高度下发动机转速变化过程、无人机速度变化过程及两者之间对应关系等信息，具体分析结果如表 1 和表 2 所示。2.2增益 kg的计算为了提高可信度，对于增益 kg的确定，通过无人机小扰动线性化计算并结合飞行观测数据获得。通过飞机小扰动线性化配平理论，可以计算飞机在不同高度、速度下的配平推力，这里取高度 4 500 m、速度 145 m/s 和高度 4 500 m、速度 200 m/s 两个状态点进行配平，计算出两个状态配平推力分别为289.6 N 和 449.0 N。查找两组定高变速过程的观测数据可知，在两个平衡状态时发动机转速约为 41 900 r/m 和45 100 r/m，计算得到 kg=0.05。2.3时间常数 Tg的计算对于时间常数 Tg的确定，通过仿真拟合实际的定高变速飞行过程获得。在 Matlab/Simulink 环境下搭建上述式（4）的仿真框图，其中，kg已由 2.2 节计算得到，取值 0.05。同时，在仿真框图中接入 RateLimiter 模块对输入信号进行柔化处理，Rate Limiter模块参数设置为300，该参数表示对发动机转速控制输入的限速，是由发动机控制单元设计时约定的。在仿真框图建立后，通过仿真拟合可知，当 Tg取 03 之间某值时，仿真拟合结果与飞行观测数据吻合度较好。这里以第 2 组定高变速飞行过程为例，调整 Tg分别取值 0.1、0.5、1、1.5、2、2.5、3，仿真拟合曲线如下页图 4 和图 5 所示。由于无人机状态和发动机状态存在一定的不确定性，同时在不同的高度、速度下各种环境干扰、系统误差等因素也影响着飞行观测数据的准确性，这样上述曲线拟合方法得到参数必然存在一定的误差。但在速度闭环控制系统设计时，只要留有足够的控制裕量并采用参数拉偏仿真优化，参数误差参数加速前加速后增量时间转速41 40045 1003 70010.8速度14319350185.5高度3 7003 7003 7003 700参数加速前加速后增量时间转速41 90045 1003 2009.3速度14519348171.8高度4 8004 8004 8004 800转速45 10047 9002 80012.8速度19322633178.7高度4 8004 8004 8004 800表 1第 1 组定高变速飞行过程统计分析表 2第 2 组定高变速飞行过程统计分析（2 次）韩本刚，等：某型无人机的速度闭环控制设计1612015（总第 47-）火 力 与 指 挥 控 制2022 年第 11 期带来的影响是可接受的。因此，这里取值 Tg=1.5，则该型无人机的发动机模型表示为3控制策略设计考虑文中研究的发动机采用转速闭环控制方式，其由单独控制单元实现自身小系统镇定，因此，无人机-发动机大系统的闭环控制设计是在此前提下进行的。基于前述建立的无人机-发动机关系模型，无人机速度闭环控制采用发动机转速前馈控制+转速增量 PI 控制的策略，其控制系统的结构图如图 6所示。图 6速度闭环控制结构图其中，为比例系数和积分系数。采用根轨迹法选择具体参数，取值为。此外结合实际使用需要，还应考虑积分接入条件、积分深度和限幅等约束，其