输入受限的高超飞行器巡航段跟踪控制研究

发布时间：2017-12-22 12:27

  本文关键词：输入受限的高超飞行器巡航段跟踪控制研究　出处：《哈尔滨工业大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 高超声速飞行器 输入受限 反馈线性化 滑模控制 自适应反步法

【摘要】：高超声速飞行器是指飞行速度在5倍声速以上,以空气动力为主要推进手段的飞行器。与常规飞行器相比,具有高机动性、高速度、强突防能力等等特点,这使得高超声速飞行器的研究已成为国际航空航天领域的热门方向之一。但由于高超飞行器一体化设计、飞行环境变化剧烈等特点,其具有强非线性、强耦合性及快速时变性等难点。此外,高超飞行器的快速机动性往往需要大的控制动作实现,极易导致控制器输入饱和,如果不能恢复到线性工作区,会导致飞行器失稳,甚至解体。因此,在控制器设计时必须要考虑输入受限问题。本文在合理地推导、假设和简化基础上,建立了高超声速飞行器纵向通道的刚体模型。由状态微分方程可发现系统各状态间具有严重的耦合。对纵向通道模型进行小扰动线性化处理,对线性化后的系统进行零极点分析,发现高超声速飞行器的零极点与常规飞行器的零极点具有极大的不同,尤其是高超声速飞行器具有不稳定极点,这导致高超飞行器控制系统的稳定性受到严重影响。反馈线性化手段是处理高超飞行器一类高阶、强耦合系统常用的方法。本文阐述了反馈线性化的基本概念与方法,并对高超声速飞行器纵向模型进行反馈线性化处理,最终得到速度三次微分、高度四次微分方程,使得控制输入量显含在微分后的方程中,方便了后续控制器的设计。本文在反馈线性化系统的基础上分别设计了最优控制器与滑模控制器。最优控制器设计简单,参数易调,且可实现对速度、高度的跟踪;而滑模控制器设计时,先未考虑输入受限问题,选取了经典的滑模面,设计了有限时间滑模趋近律,既保证了系统状态快速收敛至滑模面,又避免了出现奇异现象,并且能较好地跟踪速度、高度指令。然后针对输入受限问题,设计基于滑模的抗饱和控制器,在保证新的控制系统稳定并且跟踪性能保持良好的基础上,较好地解决输入饱和问题。本文针对高超声速飞行器纵向非线性模型,经过合理假设,将系统分为快慢两个子系统,在未考虑输入受限的情况下,进行反步控制器设计,同时针对不确定性设计自适应律,保证了系统具有较强的抑制干扰的能力。然后针对输入受限问题,设计了抗饱和控制器,经过理论分析及计算机仿真对比验证,发现带有抗饱和器的自适应反步控制器在保证新的控制系统稳定并且跟踪性能保持良好的基础上,较好地解决输入饱和问题。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1

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本文编号：1319519