小波神经网络UCAV飞行控制系统

小波神经网络UCAV飞行控制系统


2024年5月19日发(作者:佳能650d镜头)

VoI.37。No.3 

Mar,2012 

火力与指挥控制 

Fire Control&Command Control 

第37卷第3期 

2012年3月 

文章编号l 1002—0640(2012)03—0031—04 

小波神经网络UCAV飞行控制系统 

杜海文,翁兴伟,赵辉,傅裕松 

710038) (空军工程大学工程学院,西安

摘要t针对采用H 控制设计方法需求解难度很大的偏微分方程,而导致工程实现难度大的问题,提出了采用小波神经 

网络进行无人攻击机(UCAV)飞行控制系统设计的方法,该方法集小波变换和神经网络的优点于一身,简化了网络训练,避免 

了系统达到局部最优解,使得系统具有更好的逼近精度。通过仿真实验表明,利用小波神经网络进行UCAV控制律设计,使系 

统具有较好的跟踪性和鲁棒性,避免了精确模型的建立,便于分析系统的稳定性。 

关键词:无人攻击机,飞行控制系统,小波神经网络,控制律,非线性不确定系统 

中圈分类号:TP393 文献标识码:A 

A Study on Flight Control System Based on Wave-net 

DU Hai-wen,WENG Xing—wei,ZHAO Hui,FU Yu—song 

(The Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi’an 710038,China) 

Abstract:To study the problem of using H to control and design flight control system of UCAV is to 

extract difficult partial differential equation and which is difficult in engineering application,a way using 

wave-net to design flight control system of UCAV is proposed.The way has the merits of wavelet 

transform and neural networks。which simplifies the network training and avoids partiaI optimal value of 

the system and makes the system have better approach precision.The simulation results shows that the 

designed controll law of UCAV based on wave—net makes the system have good stability and robustness, 

which avoids building precise model and is convenient to analyze the stability of system. 

Key words:UCAV,flight control system,wave—net,controlling law,uncertain nonlinear system 

引 言 

文献[1—4]对H 控制在干扰和不确定性条件下 

具有鲁棒控制作用做了大量的论述,但因其控制设 

计方法是基于求解难度很大偏微分方程的解而进行 

设计的,工程实现难度比较大。具有良好的非线性逼 

近、自学习、自适应、鲁棒性、容错性等能力的神经网 

络应用到不确定非线性系统控制中,文献[5—6]已在 

此项应用中取得了不少的研究成果。而小波神经网 

收稿日期:2011—02—01 修回日期:2011—03—15 

络同时具有小波变换及神经网络的优点,是一种可 

以避免局部最优解,使系统具有更好的逼近精度、简 

化网络训练的新型神经网络。 

1 基于小波神经网络的不确定非线性 

自适应H。。控制器设计 

1.1不确定非线性MIMO系统模型 

对具有如下形式的MIMO仿射不确定非线性 

系统: 

f =fl(x)"+-gn(x)u +…+glm(z) 一+ 

*基金项目:国家“863计划”基金(2008AAJ205),军队重点 

) 

lZ‘r2一 )+gz (z) t+…+g枷 ) + z(z) 

)+ z ) -+…+ 

科研基金(KJ06703)l教研新星基金资助项目 

作者简介:杜海文(1965一),男。陕西澄城人,硕士生导 

]【 t

= 

; 

) + ) 

(1) 师,博士,研究方向:精确制导武器使用及军用 

无人机总体设计及使用。 

其中:y ..'y 为系统输出; ,…, 为外部有界 

・32・ (总第37--440) 火力与指挥控制 2012年第3期 

z j 

豳--f(x)+G(x) …2 

臣]_ ] 

. 

G㈤一

I]+ 

㈣ 

( )一EI ,.1 盈 一;( ) …; g一; (z)_JI , (z)一瞄 lL ; (z)Jl 

e,p=Aie +Bi(t‘ +( ( l ,;i)一 (z)+△G )一 

f(x)I≤s和max I ( , )-g ( )l≤e成立, 

o 

Bf=== 

: 

1。.: 

为实现第i个子系统的控制目标,定义: 

O 1;

-arg黯(sup 

0n (lisup ILj( ̄ 

¨ 

_arg 

](8) 

一 (z I)J 

l I

其中: =G ( l )(一 (z1wf)+r)作为等效控 

¨ 

. 

制器,Ub=一e 1wg)u 作为补偿控制器,f为辅 

¨; 

其中: ={ :l 矗II1≤ ), ={ :ll 

. 

一 

一 

O O

≤ ),M1i和 为设计参数。 

根据小波神经网络理论,设小波神经网络权值 

一 

; 

 一

{;【 

r崩= 

‘- 

硼=[ ,…, ] 及小波神经网络基函数,5( ); 

[ ( ),…, ( )] ,则有式(9)成立: 

+ .r-一 ( -|1’一 _1 )+…+ ( 一 ) 

e,p=Afe +B (t‘ + 矗 ( )+ ( )l‘+ ) (9) 

其中: 一( (zI Z)一 ( )+△G, )一 , = 

硼,I一硼五, =E(w 一t£, 。),…,(硼‰一tc, )], 

(z)一吼 )'..・, ( )],同时 称为复合干扰。 

取H。控制器为; 

(rl’+ ,rl_le(1rt ’+…+ 1e1] 

l ’; I= 

+ l,r曩一1 +…+ 1 .J 

:一

BTP,e,e(1O) 

其中:r为非负设计参数,取参数自适应律为: 

tzie ̄P B 磊( )十 (II ‘II一 ) 

啦f:: 

一 

西PI Bi )+竺堡 

杜海文,等:小波神经网络UCAV飞行控制系统 (总第37—441) ・33・ 

Pite ̄P B 九(z)+ (II W%II—Mgu) 

W giI一 

T 

一 

T 

!蔓 

o 

)+ 

其中;肫和 为小波神经网络的学习率,且设计参 

数白=口fsgn( )和 :==fl ̄#gn( g/j),ati和 为大 

于零的常数,其作用是调节系统的动态性能。文献 

假定厂( )和G(X)未知,但可以用小波神经网 

络逼近。假定UCAV在垂直方向作正弦机动,系统 

跟踪红一3O。, 一sin(t), 一o。,选择 11=2, 21= 

1, 一2,根据式(4)可得: 

[7-1证明了这种小波神经网络在干扰减弱水平线,能 

够满足H 跟踪性能指标。 

ff 一2(佑一 

.《r2 COS(t)+2(at,t-at) (18) 

2 基于小波神经网络的UCAV自适 

应重构飞行控制系统设计 

依据时标分离的原则可以将UCAV的飞行控 

制系统划分为快慢不同的子系统,慢回路系统有如 

下仿射非线性方程 。]: 

【f3= 一 

现用迎角控制为例,来求解 。迎角跟踪误差 

为: 

e 2+ 1 2=厂2(XIW )一厂2(X)+△G1 十 24一di(z) 

(19) 

选取参数 =0.4, 一0.05,Q2:1,可以求得 

l I= (乏。)+g 。(毫 ); + 。((; 。) (13) 

其中:; 一Ev,y,a, , 是由系统的慢状态组成, 

P。一0.118 5。因此可以求得鲁棒控制项为: 知= 

2.37e。,同理可求得另外两个控制量。 

利用相同的神经网络逼近函数 (; ), 

Xs.一Ep,g,r]是由快状态组成。 

一一一一一一 

(;, ) 

L(3, )一 

厂口(;, ),fp(Z,),g,。(乏。),根据上面论述,取小波神 

经网络的隐含层单元数N一15;并设定初始条件 

(14) 

(衰。) 

(;, ) 

为:wf1 硼,2 硼,3 O’ Fll:==训F13 硼F21 

—W% 

一 

j23=== g3l 

0・5l, 

一 

=== 

。 。

一10, 

。:。

=15,p =fl13=fl2a--'lfz ̄=== 

厂一tg ̄osat 1 --tg in 

= 。=1.51,口。=  ̄--ta。=2l(1为单位向量),学习 

率IDl1一ID13一』D2l—lD23=P31一Pzs一0.02, 一讫=仇一 

gll(z 1)一I sina 0 --sinat l(15) 

L sec8cOSat 0 see sina 

0.1。则小波神经网络的输出可以得到快回路控制输 

入为: 

一 

g (; 

)gP( )0 0 

g 2( ,1)一 

g。(毫。)

0 

0 0 0 

(z lWg)“ 。 

+ 6 (2O) 

gp(3, )0 0 

其中:z‘ =e一 ( I )(一,( I硼,)+r), 6=一e一|1 

快状态回路不容易控制,采用基于在线神经网 

路补偿的动态逆控制,基于小波神经网络的飞行控 

制系统结构图如下页图1所示。 

fAx, ),g(x)一gJ( ), 一; , (x)= 。( 。) ,并 

3 仿真应用 

仿真验证:假定飞行高度在1 000 m、速度 = 

80 m/s、a一5。其余状态输人初始值为0。在仿真时, 

㈤ x … 

假设慢回路气动参数存在定值的不确定性,仿真结 

果如图2所示,其中口为攻角,q为视线角,实线为 

・34・ (总第37--442) 火力与指挥控制 2012年第3期 

参考文献: 

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圈1基于小波神经网络的飞行控制系统框图 

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实际输出,虚线为参考输入。 

Aircraft Maneuverability Through Employment of 

30 30 

/ 、宴 ■ Ⅱ 

Control Configured Vehicle Technology[R]. 

2O 

20 

∞ 10 

10 

‘, t I 

AGARD—CP一260。1978. 

0 

0 

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≈ 一10 

10 

20 

20 

\ / 

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30 

3O 

0 5 10 Z0 0 5 1O 20 

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tls 

tls 

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图2基于小波神经网络的飞行控制仿真曲线 

Flight Control System Study[R].NASA CR一 

由仿真曲线上可以看出:基于小波神经网络的 

163120,1982. 

自适应控制设计具有较好的跟踪性能和一定的鲁棒 

[5] Boudrean J A,Berman H L.Dispersed and 

性,同时不要求模型必须已知,并便于分析系统的稳 

Reconfigurable Digital Flight Control Systems[R]. 

定性。 

AFFDL—TR一79—3125.1979. 

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4 结束语 

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通过小波神经网络进行UCAV控制律设计,避 

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免了精确模型的建立,使得系统具有较好的跟踪性 

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和鲁棒性,便于分析系统的稳定性。 

[83 翁兴伟.复合制导UCAV综合火力与飞行控制关键 

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(上接第3O页) 

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