高超声速飞行器的鲁棒与自适应控制技术研究

发布时间：2020-03-22 17:33

【摘要】：高超声速飞行器(AHV)由于其特殊的活动空间及极高的运动速度,具有生存力强、效费比高、响应快速等特点。AHV的特点使得其具有巨大的战略价值和广阔的应用场景。鉴于AHV的重大研究意义及应用价值,各航空航天强国对其抱有极大的热情,并进行了长期的研究,取得了丰富的研究成果。我国应该加大力度开发与之相关的各项关键技术,以抢占未来空域的制高点。作为航空航天科技交叉的产物,高超声速飞行器的研究在相关理论探索和工程实践等方面都存在着巨大的困难,需要各方面技术的突破。为了飞行安全并达成飞行任务,飞行控制系统是AHV的一个关键部分。相较于普通飞行器的飞控系统,AHV的飞行控制系统具有控制精度要求更高、需要考虑的因素更多、控制结构更复杂等特点。本文在非线性控制的框架内考虑了AHV飞行系统的输入时滞、外部干扰、输入饱和受限、模型不确定和控制非仿射等特性,针对不同需求及假设,研究了鲁棒自适应飞行控制系统。本文的主要研究内容如下:1、描述了一种锥形体高超声速飞行器的构型、几何模型和作动系统,基于刚体运动力学推导了其六自由度十二状态动态模型,并给出了其气动力及气动力矩模型。同时,研究了高超声速飞行器的开环响应特性。2、研究受干扰并含输入时滞的AHV姿态控制问题。当将信号传输和作动器动态抽象为输入时滞,将风干扰和建模误差看作外部干扰时,产生了受干扰并含输入时滞的非线性控制问题。在输入时滞补偿理论、干扰观测器和非线性阻尼控制器的基础上,构建了输入含时滞非线性调节问题的求解框架,给出控制器设计过程及稳定性结论。利用该求解框架获得了受干扰并含输入时滞的AHV姿态控制器,并通过仿真验证了所研究控制方法的有效性。3、研究了含控制受限及不确定干扰的一类非线性系统的鲁棒自适应控制,并将其应用在AHV的姿态跟踪控制中。对于系统不确定,研究了两种不同假设下的处理方法。第一种假设系统所含不确定为变化速率有界但界限未知的。在此假设下研究了控制受幅度饱和限制非线性系统的跟踪控制问题,提出了鲁棒自适应动态面(DSC)控制方法,并证明了闭环系统的实际稳定性。另外从干扰抑制的角度出发,假设产生干扰的外系统中存在界未知的不确定。在此假设下,发展了干扰观测器技术,对于不确定的外部系统设计了鲁棒自适应干扰观测器,并结合输入受限滤波补偿控制,设计了一种鲁棒自适应控制方法,并证明了观测器观测误差系统和被控对象闭环系统的稳定性。在上述两种假设下,分别对AHV的姿态跟踪设计控制器并进行了仿真验证。仿真结果验证了所设计的AHV姿态跟踪控制器的有效性。4、研究了控制增益含不确定的一类非线性系统的鲁棒自适应控制,并将其应用在AHV的姿态跟踪控制中。对于控制增益中所含的不确定,本文研究了两种不同假设下的处理方法。第一种假设控制增益矩阵正定,在此假设下针对一类含速率有界的不确定及参数不确定的非线性系统研究了跟踪控制问题,给出了鲁棒自适应控制器的设计过程,并证明了闭环系统的稳定性。对于控制增益所含不确定的另一种假设,放松了增益矩阵正定这一要求,假设增益矩阵元素的符号保持一致并且增益矩阵在定义域内可逆。在此假设下针对一类含速率有界的不确定及参数不确定的非线性系统研究了跟踪控制问题,提出了一种新的基于Nussbaum函数矩阵的鲁棒自适应控制器,阐述了其设计过程并证明了闭环系统的实际稳定性。仿真结果验证所提出的控制算法的正确性及其应用到AHV姿态跟踪上的可行性,也分析了自适应律对控制效果的影响及相应的处理手段。5、研究了AHV的轨迹跟踪控制问题。利用两时间尺度特性,将AHV的控制器设计分解成两个环节:轨迹跟踪环节和姿态跟踪环节。针对含参数不确定和建模误差的轨迹控制回路,利用其结构特性,遵循动态逆的思路并结合鲁棒自适应控制,设计了AHV轨迹跟踪环节的一种鲁棒自适应非仿射控制,给出了轨迹控制器的显式形式。通过对AHV动态系统中所含不确定及干扰的分析,采用合理假设推导出了AHV姿态控制的模型,并利用之前给出的理论结果设计了姿态跟踪控制器。仿真结果验证了折衷轨迹控制方法的有效性。
【图文】：

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图 1. 1 NASA X-33 与 X-43A 飞行器模型另一个传统航空航天强国，俄罗斯（苏联）在 20 世纪 80 年代制定了“冷”计划，主要验证了轴对称超燃冲压发动机技术。但是，，轴对称超燃冲压发动机的使用受到多种条件的限制，难以应用到需要完成高动态飞行的 AHV 上。随后，在 90 年代初，开展了“针”计划，研究一种外形类似暴风雪号航天飞机，而在腹部放置发动机的升力体一体化吸气式高超声速飞行器。

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27图 2. 4 高超声速飞行条件下零输入响应从图 2.4 中 AHV 的轨迹状态{V , χ ,γ }的变化可以看出 AHV 的轨迹纵向稳定性较好，速度和航迹倾角都能趋近一个变化缓慢的值，在偏航角上只累积很小的偏差。图 2.4 显示 AHV 的零输入响应的复杂性主要体现在姿态控制系统里。可以看出 AHV 的攻角缓慢减小到零以下，侧滑
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1;V448

【参考文献】