Design of a longitudinal trajectory tracking control law for somersault maneuver flight

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2024111592

Abstract

Abstract:

To enhance the combat capability of Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） in the military field and address challenges such as significant aerodynamic parameter perturbations and strong nonlinear coupling during maneuvering flight， a longitudinal trajectory tracking control law design was proposed for a transonic/supersonic UAV， which integrated Robustness Servomechanism Linear Quadratic Regulator （RSLQR） fusion with Model Reference Adaptive Control （MRAC）. Specifically， a mathematical model of UAV was established， and based on the framework of RSLQR and MRAC， the pitch channel control law and engine channel control law were designed. A numerical simulation environment was then constructed using Matlab to simulate and analyze the Kulbit flight performance of the proposed control law from the perspectives of calibration， wind disturbance， and parameter perturbation conditions. Simulation results show that the designed control law can ensure robust performance of the somersault maneuver process， improve the ability to suppress disturbances， compensate the uncertainty in the system online and improve the response quality of the system. The law can be used in engineering applications.

Key words: Kulbit maneuver, transonic/supersonic unmanned aerial vehicle, longitudinal trajectory tracking, Model Reference Adaptive Control (MRAC), Robustness Servomechanism Linear Quadratic Regulator (RSLQR)

摘要：

为提升无人机（UAV）在军事领域中的空中格斗技术能力，解决机动飞行时飞机气动参数摄动大、非线性耦合严重等问题，以跨超音速无人机为研究对象，提出一种基于鲁棒伺服线性二次型调节器（RSLQR）融合模型参考自适应控制（MRAC）的筋斗机动纵向轨迹跟踪控制律设计。通过建立无人机数学模型，基于RSLQR和MRAC框架，设计了俯仰通道控制律和发动机通道控制律，然后采用Matlab搭建数值仿真环境，从标定情况、风扰情况以及参数摄动情况3方面对所设计的控制律进行筋斗飞行仿真及分析。仿真结果表明，该控制律能够保证筋斗机动过程的鲁棒性能，提高抑制扰动的能力，对系统中的不确定性进行在线补偿，并改善系统的响应品质，可用于工程实践。

关键词: 筋斗机动, 跨超音速无人机, 纵向轨迹跟踪, 模型参考自适应控制, 鲁棒伺服线性二次型调节器

CLC Number:

V249.1

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Figures/Tables 10

Fig. 1 Flight stages of somersault maneuver

Fig. 2 Control architecture combining RSLQR and MRAC

Fig. 3 Time domain response of pitch angle rate

Fig. 4 Frequency domain response of pitch angle rate

Tab. 1 Response quality of pitch angle rate

上升时间

Ts/s

闭环带宽

w_b/（rad·s^-1）

幅值裕度/dB

相角裕度/deg

截止频率w_c /（rad·s^-1）

1.2

3.2

∞

Tab. 1 Response quality of pitch angle rate

上升时间

Ts/s

闭环带宽

w_b/（rad·s^-1）

幅值裕度/dB

相角裕度/deg

截止频率w_c /（rad·s^-1）

1.2

3.2

∞

Tab. 2 Response quality of axial acceleration/indicated airspeed

物理量

闭环带宽

w_b /（rad·s^-1）

幅值裕度/dB

相角裕度/deg

截止频率w_c /（rad·s^-1）

A_x

Fig. 5 Mathematical model structure of transonic/supersonic unmanned aerial vehicle

Fig. 6 Maneuvering flight process under normal conditions without wind disturbance

Fig. 7 Maneuvering flight process under conditions with turbulence and crosswind disturbance

Fig. 8 Maneuvering flight process under conditions with parameter perturbation

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