一种基于风场前馈辨识的螺旋桨桨距角复合抗扰控制方法与流程

本发明涉及螺旋桨桨距角复合抗扰控制，具体为一种基于风场前馈辨识的螺旋桨桨距角复合抗扰控制方法。

背景技术：

1、在航空螺旋桨推进系统中，螺旋桨经常工作在强湍流、风切变等非均匀风场环境中，叶片各方位角处的来流风速差异显著，导致瞬时气动载荷随叶片旋转剧烈波动。如果不加抑制，这种周期性载荷变化会在桨盘上产生大幅推力偏差和持续的俯仰、偏航力矩，降低飞行器姿态稳定裕度，同时诱发传动系统严重的扭转振动，对结构寿命和乘坐品质造成双重损害；

2、传统螺旋桨桨距角控制大多采用集体变桨和反馈闭环调节，以推力或转速误差作为输入，控制器带宽受到伺服延迟和系统惯量限制，难以在叶片通过频率附近有效消除高频扰动。部分独立变桨方法虽然可以通过多叶片坐标解耦消除连续风切变引起的1p频率载荷，但仅依赖固定增益和稳态线性模型，对外部风场快速变化的辨识能力不足，并且在复杂动态工况下无法兼顾传动系统扭振和非定常失速脉冲的补偿，往往需要增加大量传感器和复杂调理电路，工程实现负担沉重；因此亟需一种基于风场前馈辨识的螺旋桨桨距角复合抗扰控制方法。

3、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于风场前馈辨识的螺旋桨桨距角复合抗扰控制方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于风场前馈辨识的螺旋桨桨距角复合抗扰控制方法，具体步骤包括：

4、s1：建立螺旋桨叶片旋转坐标关系，并设置控制周期；获取每个控制周期内螺旋桨各叶片有效截面处的来流风速、叶片方位角、指令推力信号、螺旋桨转速以及螺旋桨桨毂处的总扭矩，所述叶片方位角用于表征各叶片相对于固定坐标系的旋转位置；

5、s2：采用coleman多叶片坐标变换对所述来流风速和叶片方位角进行转换，获得对应控制周期内的等效平均风速、纵向风切变速度以及横向风切变速度；将所述等效平均风速、指令推力信号以及螺旋桨转速输入至预先训练完成的神经网络映射模型中，获得对应工况下的基准桨距角；

6、s3：基于所述纵向风切变速度、横向风切变速度以及叶片方位角，计算各叶片对应的独立变桨抗扰第一补偿角度；同时，根据螺旋桨气动特性及桨毂处的总扭矩，构建稳态气动模型，获取传动系统扭矩波动特征，并根据扭矩波动特征生成用于抵消传动系统扭振影响的第二补偿角度；

7、s4：根据当前控制周期与上一控制周期之间的合成桨距角变化值，采用高通冲刷算法计算非定常失速脉冲扰动对应的第三补偿角度；将所述第一补偿角度、第二补偿角度以及第三补偿角度进行融合，并与所述基准桨距角叠加，得到当前控制周期内各叶片对应的最终桨距角。

8、进一步地，建立螺旋桨叶片旋转坐标关系，具体包括：

9、建立螺旋桨叶片旋转坐标关系时，以桨毂中心为原点分别建立与机身固连的固定坐标系和与各叶片固连并随之旋转的旋转坐标系，其中固定坐标系的三轴分别指向机身前行方向、桨盘平面内上方及按右手定则确定的侧方；

10、旋转坐标系的三轴分别沿叶片展向从桨毂指向叶尖、在桨盘平面内垂直于叶片径向指向前缘运动方向以及按右手定则确定的与转轴重合的方向；旋转坐标系的瞬时方位由叶片径向与固定坐标系特定轴之间的方位角唯一确定，该方位角由螺旋桨转速对时间的积分叠加叶片初始方位角计算得到，从而构建两个坐标系之间的时变旋转关系；

11、在此基础上，在每个控制周期内获取各叶片在预设百分比半径剖面处的来流风速及对应的方位角，同时获取指令推力信号、螺旋桨转速以及桨毂处的总扭矩。

12、进一步地，获得对应控制周期内的等效平均风速、纵向风切变速度以及横向风切变速度，具体为：

13、采用coleman多叶片坐标变换对所述来流风速和叶片方位角进行转换，具体为：对全部叶片在有效截面处实测的来流风速，分别乘以二分之一、方位角的余弦函数及方位角的正弦函数，得到加权结果，随后将所有叶片的加权结果求和并乘以叶片总数的二倍倒数，由此分别得到三个变换输出量，即对应控制周期内的等效平均风速、纵向风切变速度及横向风切变速度。

14、进一步地，构建神经网络映射模型，具体为：

15、所述神经网络映射模型为全连接前馈神经网络，其输入层设置3个节点，分别对应指令推力信号、等效平均风速和螺旋桨转速；随后连接4层全连接隐藏层，各层神经元数目依次为128、256、256、128，每层之后均接relu激活函数，且在每两个隐藏层之间设置有dropout层，用于训练阶段防止过拟合，训练完毕后dropout层自动失效；输出层设置1个节点且不附加任何激活函数，直接输出当前工况下产生指令推力信号所需的基准桨距角。

16、进一步地，计算各叶片对应的独立变桨抗扰第一补偿角度，具体为：

17、提取每个控制周期起始时刻的纵向风切变速度以及横向风切变速度，分别与各自对应的预设补偿增益系数相乘后，再分别乘以各叶片在当前控制周期起始时刻方位角的余弦函数和正弦函数，将两项乘积结果相加，得到该叶片在当前控制周期起始时刻的独立变桨抗扰第一补偿角度，并以此作为对应控制周期的第一补偿角度。

18、进一步地，根据扭矩波动特征生成用于抵消传动系统扭振影响的第二补偿角度，具体为：

19、根据螺旋桨的桨毂在控制周期起始时刻输出的总扭矩，减去由空气密度、螺旋桨半径、当前旋转角速度及预设螺旋桨扭矩系数共同确定的稳态气动扭矩估计值，得到当前控制周期起始时刻的总扭矩波动；

20、将该总扭矩波动经带通滤波处理后提取出扭振波动分量，随后对当前时刻与上一时刻的扭振波动分量进行差分运算并除以三倍当前旋转角速度与控制周期时间长度的乘积得到归一化的差分值；

21、将当前时刻扭振波动分量乘以预设相位超前角的余弦值、归一化的差分值乘以预设相位超前角的正弦值，两项结果相加后再乘以预设扭振补偿增益系数，得到当前控制周期起始时刻用于抵消传动系统扭振影响的第二补偿角度，并以此作为对应控制周期的第二补偿角度。

22、进一步地，采用高通冲刷算法计算非定常失速脉冲扰动对应的第三补偿角度，具体步骤为：

23、将上一控制周期起始时刻的第三补偿角度乘以预设衰减系数，再与预设非定常失速补偿增益系数乘以当前控制周期的前一控制周期与前二控制周期起始时刻的合成桨距角差值所得结果相加，得到当前控制周期起始时刻用于抵消非定常失速脉冲冲刷效应的第三补偿角度，并以此作为对应控制周期的第三补偿角度。

24、将每个补偿角度进行融合，并与所述基准桨距角叠加，得到当前控制周期内各叶片对应的最终桨距角,具体步骤为：

25、将当前控制周期起始时刻的基准桨距角，与对应叶片在当前控制周期的第一补偿角度、第二补偿角度以及第三补偿角度相加，得到当前控制周期内各叶片对应的最终桨距角。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、通过风场前馈辨识和神经网络映射，使基准桨距角能够自适应匹配不同飞行工况和风场条件，大幅减少稳态推力偏差和调节时间；利用实时解耦的风切变速度独立调节各叶片桨距角，可有效抑制周期性不平衡气动载荷引起的桨盘俯仰和偏航力矩，降低机体的低频振动幅值；基于总扭矩波动的扭振对消通道直接感知并补偿传动系统扭转振动，在叶片通过频率附近形成显著的高频扰动衰减能力；高通冲刷补偿通道可消除瞬态指令变化导致的非定常失速脉冲，四路补偿协同工作，在不增加外挂传感器和复杂计算的前提下，实现对动态风场扰动的宽频带、高鲁棒性抑制。整套方法将风场前馈、独立变桨、扭振对消和非定常补偿有机统一在一个框架下，整体结构清晰、计算量适中，便于在嵌入式飞行控制器上部署，显著提升螺旋桨推进系统在复杂风场环境下的推力精度和结构安全裕度。