无人飞艇的自抗扰控制研究和控制器优化

肖飞 张长远

摘 要： 飞艇是一类外形类似于椭圆型气球的浮空器，主要依靠内部气囊内的轻质气体产生浮力提供静升力，其飞行速度较慢、续航能力强、载荷能力大且安全可靠。飞艇所具有的经济适用、环保安全等特性迎合了社会的经济发展需要，有关飞艇的研究再度成为热点，许多国家都已开展相关研究并积极进行飞行试验，特别是美、英、德、俄等航空军事发达的国家，借助航天平台对飞艇的应用型研究做了很多探索，在监控预警、地理测绘、通信中继、运输搜救等方面有了广泛的应用。

关键词： 飞艇;控制分配;线性自抗扰

【中图分类号】TP57 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.40.167

1 控制器设计

1.1 力矩分配。

俯仰角的控制主要以升降舵控制为主，使用尾部螺旋桨加以补偿。当舵偏角偏转超过20°时，尾部螺旋桨参与控制。将升降舵作为唯一输入量求出虚拟多舵偏，再根据角度大小分配给升降舵和尾推，若δz>20°，则将推力等效为舵偏角，其余所需舵偏角分配给升降舵。

同样地，方向舵与头部螺旋桨的分配方式与升降舵和尾部螺旋桨一样，这样的分配方式有两个优点：一是优先使用舵偏角，避免了能量的损耗，由于舵面控制效率较高，提升了控制性能;二是螺旋桨提供的力和力矩在进行数据拟合时不免会有偏差，加上飞行中大气的干扰，电机转速和偏转角等偏差会给控制带来控制误差，优先使用舵偏可以减小这些误差的发生[1]。

1.2 线性自抗扰控制。

无人飞艇在空中受气压和温度的影响较大，体积和质量都会发生一定变化，其运动特征往往难以用精确的模型去描述，飞艇建模中存在的偏差，气动参数和力矩系数是根据风洞试验拟合的关于攻角、侧滑角等的非线性函数，不可避免带来误差，另外大气环境多变会引起空中的气流、温度和空气密度等的变化，不仅风干扰对运动有影响，质量和气动参数也会发生改变，从而影響飞艇运动状态。采用线性自抗扰控制方法，用状态观测器对系统干扰部分进行观测和估计，对其进行实时地补偿控制。与非线性自抗扰相比，线性自抗扰需要整定的控制参数少得多，更适合于工程应用。

2 仿真及结果分析

2.1 抗风仿真。

为验证飞自抗扰控制器效果，建立风场简化模型模拟风场环境作为外部干扰，通常沿地面坐标系轴将风分解为三个方向的分量加在飞艇速度上，并在Simulink中模拟紊乱风风场环境[2]。取飞艇巡航段状态进行仿真分析，此时飞艇的飞行高度500m，以速度15m/s直飞，[α ]=[0.749° 0.749°]，输入量[T δz δy]=[0.429° 5.56° 0°]。

从姿态角仿真结果可以看到，PID控制下姿态角围绕控制目标上下抖动，而LADRC能够很好地跟踪姿态角，并没有明显的抖动，但由于扩张观测器对高频的干扰不能快速精准地进行观测，本身存在峰值现象，曲线仍有小幅抖动，不过实际控制中，风场扰动频率有限，不会存在类似于紊乱风模型的恶劣风场环境，仿真结果表明该控制器能够很好地达到控制目的，并具有良好的控制性能。偏航角在高频干扰下会产生小幅震荡，但两种控制器的总体控制效果良好[3]。

2.2 控制器优化。

为更直观体现控制器优化效果，在无干扰条件下对LADRC控制器参数进行优化，各相关优化参数如表1所示：

目标函数权重中，将超调目标函数优化系数取a1=15，a2=0.1，a3=0.01，俯仰角控制器控制目标为0.749°→10°→0.749°，优化迭代过程如下：

对比在俯仰角为0.749°→10°的控制阶段，优化前后的俯仰角均能很好跟踪指令角，但在10°→10.749°阶段，可以看到优化前的俯仰角变化较慢，这是由于舵面提供力矩不足，而优化后的控制器考虑了整个指令角下的控制曲线精度，俯仰角能够很好地跟踪指令角。从升降舵偏转情况来看，优化后基本消除了舵偏抖振的情况，使舵偏更为平滑合理，螺旋桨的能量消耗也更小[4]。

根据经验多次调节的控制器参数与优化后的控制器参数对偏航角的响应大致相同，都能很好地跟踪控制指令，但由于优化目标中加了与舵偏相关的性能指标，优化后的控制器舵偏更加平稳，螺旋桨消耗能量更少。

结语：提出了一种多螺旋桨飞艇的执行机构分配方式，并为姿态控制问题设计了线性自抗扰控制器，并在紊乱风环境下，进一步对姿态角控制效果进行仿真验证，曲线结果表明了线性自抗扰控制器抗风抗干扰的有效性。仿真结果表明优化后的控制器能更准确地跟踪指令角，舵偏基本不存在抖振现象，在控制过程中最大限度地利用了舵面控制，减少了螺旋桨的使用，节约了能源。

参考文献

[1] 宋晓茹，高泽鹏，陈超波，钱富才.一种基于增强型烟花算法的自抗扰控制的机器鱼路径跟踪控制方法[J].科学技术与工程，2019，19（34）：284-293.

[2] 史艳霞，乔佳，薛珑.基于自抗扰控制耦合四旋翼姿态稳定性研究[J].控制工程，2019，26（11）：2099-2103.

[3] 刘俊杰，陈增强，孙明玮，孙青林.自抗扰控制在推力矢量飞机大迎角机动中的应用[J].工程科学学报，2019，41（09）：1187-1193.

[4] 刘强.无人飞艇常规控制策略和抗风抗扰控制研究[D].华中科技大学，2019.