基于预定义时间主动干扰抑制控制的直接升降机载具着陆控制方法

《Applied Mathematical Modelling》：Direct Lift Carrier Landing Control Method Based on Predefined-Time Active Disturbance Rejection Control

针对航母舰载机降落过程中气流湍流干扰抑制与控制性能提升问题，提出基于预定义时间主动干扰抑制（PTADRC）的直接升力控制（DLC）方案。通过建立六自由度非线性动力学模型，设计具有预定义时间稳定特性的扩展状态观测器（PTESO）和PTADRC控制器，实现控制指令的快速收敛与干扰抑制。理论分析证明系统满足预定义时间稳定性，并通过实时仿真实验验证了其在动态响应、抗干扰能力和实际应用中的优越性。

　　

Kecheng Li|Yuewen Wang|Tongwen Chen|Xiaoxiong Liu|Jingping Shi|Shan Huang

西北工业大学自动化学院，中国西安，710072

摘要

本文提出了一种基于预定义时间主动干扰抑制控制的直接升力控制方案，该方案采用预定义时间扩展状态观测器，用于航母舰载飞机，以解决航母着陆过程中的安全问题，并提高瞬态响应、飞行性能和鲁棒性。首先，建立了航母舰载飞机的六自由度非线性模型，并分析了直接升力控制面和空气动力面的组合机制。然后，提出了一种新型的预定义时间稳定扩展状态观测器，以加速干扰估计并避免高增益系数引起的抖动，其预定义时间稳定性基于李雅普诺夫稳定性理论得到证明。随后，设计了一种新型的预定义时间稳定主动干扰抑制控制器，确保飞机在用户定义的收敛时间内跟踪指令信号，并抑制航母尾流湍流的影响。此外，还分析了闭环系统的预定义时间稳定性。最后，通过数值仿真和实时仿真实验验证了所设计的基于预定义时间主动干扰抑制控制的直接升力控制方案的有效性和实用性。

引言

航母舰载飞机是一种以航母为军事基地的特殊飞机，它不仅可以对海、陆、空目标进行攻击，还能执行许多作战任务，如预警、侦察、电子对抗等[1,2]。然而，虽然航母舰载飞机具备强大的作战能力，但也带来了新的问题——尤其是其安全起降问题，其中着陆过程受影响因素最多，危险性最大，事故率最高，约占所有事故的85%[3]。由于航母舰载飞机的着陆安全问题涉及众多因素且技术难度较大，因此成为航母及舰载飞机系统发展中的关键技术。

文献[4,5]指出，在着陆的最后15-18秒内，飞行员需要进行200-300次精细调整，这给飞行员带来了较大的操作负担以及身心压力。此外，航母着陆过程中面临许多干扰因素，其中航母尾流湍流的影响最为显著。如果不采取抑制尾流湍流的方法，仅尾流的稳态分量就可能导致数十米的水平误差[6]。近年来，许多先进算法被应用于处理航母尾流湍流问题，例如反向步进控制[7],[8],[9]、非线性动态反演（NDI）控制[10],[11],[12]、增量非线性动态反演（INDI）控制[13]、滑模控制（SMC）[14,15]、增量滑模控制（ISMC）[16]和模型预测控制（MPC）[17,18]。作为一种具有强鲁棒性的方法，主动干扰抑制控制（ADRC）也引起了学者们的关注，并成为研究热点，特别是在存在干扰的情况下，包括航母着陆场景。在[19]中，学者们提出了一种适用于存在航母尾流湍流和甲板运动的自动航母着陆系统（ACLS）的ADRC方案。在[20]中，提出了一种结合非奇异终端滑模和主动干扰抑制控制的容错控制方案，用于在自动航母着陆过程中处理执行器故障和外部干扰。在[21]中，提出了一种基于故障重构和容错控制的新型自动着陆方法。此外，[22],[23],[24],[25]也使用ADRC设计了航母着陆控制系统。然而，[19,21,22]中的仿真仍基于线性模型，这不足以表征整个航母着陆过程中的飞机状态，且所有这些研究结果都停留在数值仿真阶段。

尽管ADRC在抑制航母着陆过程中的尾流湍流效应方面具有较好的干扰抑制能力和鲁棒性，但仍存在一些需要解决的问题。首先，传统的扩展状态观测器（ESO）和ADRC仅能保证渐近收敛，闭环系统的收敛时间不确定，且初始误差越大，收敛时间越长。此外，传统的ESO属于高增益观测器，需要较大的增益系数来提高观测精度和加速收敛速度，但过大的增益容易放大初始误差，导致控制面出现大幅跳变和高频抖动，这对飞行控制系统非常不利。为了解决这些问题，预定义时间（PT）控制理论提供了一种可行的解决方案[26,27]。PT控制理论已成功应用于多智能体系统[28,29]、航天器[30,31]、飞机[32,33]和四旋翼飞行器[34,35]等多个领域。然而，将PT控制理论与ESO或ADRC结合的研究较少。通过在ESO和ADRC中应用PT控制框架，可以使ESO的估计误差和闭环系统的跟踪误差在用户定义的确定时间内收敛到可接受的小范围内，从而解决了有限时间控制和固定时间控制收敛时间不明确或上限为系统参数复杂函数的问题。此外，可以直接避免传统ESO的高增益系数特性。基于上述讨论，本文旨在提出一种基于PT控制理论和ADRC的DLC控制方案，以改善航母舰载飞机的瞬态响应和飞行性能，并增强其对航母尾流湍流的鲁棒性。本文的主要贡献如下：

(1)

基于PT控制理论，本文提出了一种新型的PT基扩展状态观测器（PTESO）。与现有的ESO[36]、有限时间ESO[37,38]和固定时间ESO[39,40]相比，所提出的PTESO不仅避免了高增益系数，还实现了PT稳定性。

(2)

基于PT控制理论，提出了一种基于PTADRC的DLC方案，解决了闭环系统收敛时间不确定的问题。更重要的是，所提出的PTADRC控制器有效抑制了航母尾流湍流，并提高了飞行性能。此外，闭环跟踪误差（无论是角速率、姿态角还是航迹角）的收敛时间都可以由用户定义，并且与初始值无关。

(3)

与大多数仅进行数值仿真的航母着陆相关文献不同，本文设计并构建了一个实时仿真（RTS）实验平台，以验证所设计的基于PTADRC的DLC方案在航母着陆过程中的性能。实验结果表明，所提出的PTADRC基DLC方案能够提供高质量的跟踪性能和出色的干扰抑制能力。

本文的其余部分安排如下：第2节建立了航母舰载飞机模型和航母尾流湍流模型，概述了控制目标，并进行了一些初步研究。第3节开发了基于PTADRC的控制器并分析了其稳定性。第4节通过不同航母着陆场景下的RTS实验评估了所设计PTADRC基控制器的飞行性能。第5节提供了结论。

章节片段

航母舰载飞机的非线性模型

直接升力控制技术的应用要求航母舰载飞机除了具有传统的空气动力面（如襟翼、鸭翼等）外，还需要具备直接升力面。因此，本文采用了一种具有升降舵、副翼、方向舵、襟翼、鸭翼等控制面的航母舰载飞机模型，如图1所示。结构参数见表1。

航母舰载飞机的六自由度非线性数学模型可以表示为

主要结果

在本节中，将传统的ESO和ADRC与PT控制理论相结合，开发出了PTADRC，然后构建了基于PTADRC的DLC方案，以实现航母着陆过程中的PT收敛和干扰抑制。

实时仿真实验

在本节中，通过数值仿真和RTS实验验证了所提出的PTADRC控制器和DLC方案的有效性。第4节设计的三种控制器均在数值仿真中得到了验证。为了进一步突出所设计PTADRC控制器的优越性，将其与LADRC、INDI[13]和NDI[10]进行了比较。在RTS实验平台上构建了一个航母着陆场景，结合了视觉仿真和操纵杆

结论

本文研究了一种基于PTADRC的DLC方案，用于抑制和消除尾流湍流的影响并提高控制性能。提出了一种新型的PT稳定ESO和PT稳定ADRC控制器，以缩短收敛时间并提高控制性能。与传统的ESO相比，PTESO的估计误差能够实现PT收敛并具有更好的鲁棒性。PTADRC控制器结合了ADRC和PT理论的优点，提高了

作者贡献声明

Kecheng Li：软件、研究、资源、方法论、软件、初稿撰写、审稿与编辑。Yuewen Wang：研究、软件、撰写、审稿。Tongwen Chen：软件、概念构思、撰写、审稿。Xiaoxiong Liu：监督、验证、撰写、审稿与编辑、资金获取。Jingping Shi：监督、资金获取。Shan Huang：软件、验证。

作者贡献声明

Kecheng Li：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件、资源、方法论、数据分析、概念构思。Yuewen Wang：撰写、审稿与编辑、资源管理、数据分析。Tongwen Chen：撰写、审稿与编辑、可视化、验证、软件。Xiaoxiong Liu：撰写、审稿与编辑、项目监督、形式分析、概念构思。Jingping Shi：监督、项目管理