高超声速飞行器再入段容错制导与控制研究

发布时间：2017-11-02 16:59

  本文关键词：高超声速飞行器再入段容错制导与控制研究

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【摘要】：由于高超声速飞行器再入飞行的稳定性与安全性至关重要,再入段发生故障时亟需合适的容错方案,特别是容错制导方案以保证飞行器的安全。本文以高超声速飞行器为研究对象,针对飞行器发生故障的情况,对高超声速飞行器再入段容错制导与控制做了一定的研究。首先,综述了本课题的研究背景和意义,介绍了国内外高超声速飞行器的发展现状。概述了本文研究的核心问题:再入制导问题,简要概述了目前高超声速飞行器再入制导技术和容错制导技术的研究现状。其次,针对高超声速飞行器再入运动模型,考虑舵面发生卡死故障,设计集成容错制导与控制方案。本方法实现了制导环与姿态环的联合控制,通过预测校正制导算法、Backstepping反逆法和控制分配法设计了轨迹状态、控制输入、控制力矩、舵面偏转角等系统指令之间的跟踪控制系统。针对舵面故障,设计了基于剩余健康舵面补偿的容错控制方案,从而补偿舵面故障造成的力矩损失。再次,由于姿态环的容错能力有限,且仅仅姿态环的容错控制虽然能跟踪到制导环的控制输入,但是该控制输入在故障情况下可能已经不能满足再入制导的要求,需要在制导环进行容错算法研究。通过初始状态扰动和气动系数偏差下的飞行数据建立在线轨迹数据库,利用轨迹库的数据通过基于相邻可行轨迹存在定理(NFTET)的容错制导算法实时重构出故障下合适的新轨迹,使得飞行器重新处于可控范围之内。最后,由于前两部分主要侧重容错方法上的研究,在气动模型的使用上则是事先选取好特定的气动模型,但实际飞行过程中气动参数是随各种因素变化着的,因此分别设计标称气动模型和重构气动模型,将故障和舵面信息引入到气动模型中,研究气动参数的动态变化过程。最后将设计的标称和重构气动模型应用在基于预测校正算法的再入制导系统中,获得不同气动模型下的再入制导轨迹。
【关键词】：容错制导 高超声速飞行器 舵面故障 重构轨迹 NFTET 气动模型
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 注释表11-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1 课题背景及研究意义15
• 1.2 高超声速飞行器发展现状15-16
• 1.2.1 国外发展现状15-16
• 1.2.2 国内发展现状16
• 1.3 再入制导问题及再入制导方法研究现状16-20
• 1.3.1 再入制导问题16-18
• 1.3.2 再入制导方法研究现状18-20
• 1.4 再入容错制导研究现状20-22
• 1.5 本文的主要研究内容与章节安排22-24
• 第二章 高超声速飞行器模型24-30
• 2.1 引言24
• 2.2 再入运动方程24-26
• 2.2.1 再入平移运动模型24-25
• 2.2.2 再入旋转运动模型25-26
• 2.3 控制量的选取26-27
• 2.4 再入约束条件27-28
• 2.5 再入制导目标28-29
• 2.6 结论29-30
• 第三章 基于控制分配的高超声速飞行器再入容错制导与控制30-47
• 3.1 引言30
• 3.2 预测校正制导律设计30-37
• 3.2.1 再入走廊的建立30-32
• 3.2.2 再入纵向制导设计32-35
• 3.2.3 再入侧向制导设计35-37
• 3.3 基于控制分配和Backstepping的容错控制律设计37-39
• 3.3.1 Backstepping控制器设计37-38
• 3.3.2 基于控制分配的容错控制律设计38-39
• 3.4 仿真验证39-45
• 3.5 结论45-47
• 第四章 基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导47-62
• 4.1 引言47
• 4.2 相邻可行轨迹存在定理47-48
• 4.3 容错制导理论分析48-50
• 4.3.1 假设条件48-49
• 4.3.2 理论分析49-50
• 4.4 基于NFTET的容错制导律设计50-52
• 4.4.1 标称轨迹设计50-51
• 4.4.2 重构轨迹设计51-52
• 4.5 仿真验证52-61
• 4.6 结论61-62
• 第五章 基于重构气动模型的高超声速飞行器再入容错制导62-73
• 5.1 引言62
• 5.2 气动模型重构设计62-65
• 5.2.1 标称气动模型63-64
• 5.2.2 重构气动模型64-65
• 5.3 基于重构气动模型的轨迹生成65
• 5.4 仿真验证65-71
• 5.5 结论71-73
• 第六章 总结与展望73-76
• 6.1 全文工作总结73-74
• 6.2 后续工作展望74-76
• 参考文献76-81
• 在攻读硕士学位期间发表的学术论文目录与参加科研情况81-82
• 致谢82

【参考文献】

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本文编号：1132333