「无人机姿态控制仿真分析」

结合X-系列验证机得到无人机结构参数和气动参数，具体数值如表1所示。

表1　无人机结构参数和气动参数

仿真试验中无人机初始条件设置为：质量M＝10 617 kg，速度v（0）＝120 m/s，高度h＝3 000 m，初始姿态角α0＝5°，β0＝0°，ϕ0＝0°，ψ0＝0°；初始角速率p0＝q0＝r0＝0 rad/s。各个舵偏角限幅度±30°。

姿态制导指令Ωc＝［3　0　0］T（°），并在三个通道分别设计指令滤波器为。

为了充分验证SMDO-NGPC算法在无人机系统中的控制性能，分别在无复合干扰和存在复合干扰两种情况下进行仿真验证。

1）无复合干扰情况下的姿态跟踪控制仿真

当复合干扰D＝0时，分别给出基于NGPC方案和本方案的飞行姿态控制系统的仿真曲线，如图1所示。

图1　无复合干扰情况下两种方案的姿态跟踪仿真曲线(www.xing528.com)

2）存在复合干扰情况下的飞行器姿态跟踪控制仿真

仿真中假设气动力以及气动力矩系数存在－50％的不确定性，快动态回路在t＝0时，分别于机体坐标轴的三个方向上加入如下外界干扰：

存在上述复合干扰情况下，基于NGPC方案和本方案的飞行姿态控制系统的仿真曲线，如图2所示。

通过对图1中姿态角ϕ、θ、ψ的跟踪曲线分析可知：D＝0，即无外界复合干扰时，采用NGPC方案的闭环系统和采用SMDO-NGPC方案的无闭环系统均具有较好的控制性能，但对比过渡时间和跟踪精度可知，SMDO-NGPC方案的控制性能要优于NGPC方案。通过分析图2中ϕ、θ、ψ的跟踪曲线可知：当存在外界复合干扰时，NGPC方案的控制性能开始变得恶劣，θ的跟踪曲线出现了明显的振荡。由于滑模干扰观测器能对复合干扰进行快速精确的补偿，SMDO-NGPC方案仍能平稳且迅速地跟踪给定的参考指令，表现出良好的鲁棒性。

图2　存在复合干扰情况下两种方案的姿态跟踪仿真曲线

仿真结果表明：引入SMDO的闭环系统具有更加优越的跟踪精度和过渡过程品质，且可实现对气动参数摄动和力矩干扰的平滑重构，具有更好的鲁棒性。对比两种控制方案，采用本文提出的SMDO-NGPC方案的无人机飞行控制系统具有更加优越的控制性能。