高超声速飞行器跟踪控制方法研究

发布时间：2020-03-31 14:12

【摘要】：高超声速飞行器具有显著的军事价值和民用价值,目前已成为国内外在临近空间飞行器中重点研究的对象。独特的一体化设计方式和复杂的飞行环境使得高超声速飞行器系统模型具有快时变、强非线性、强耦合和大不确定性等特点,如何设计满足其上述约束的控制策略成为目前研究的热点之一。本文对存在模型参数不确定性、外部干扰、输入受限、执行器故障、跟踪误差约束和状态约束的高超声速飞行器跟踪控制问题进行了深入研究,主要内容如下:首先,针对带有模型参数不确定性和外界干扰情形的高超声速飞行器跟踪控制问题进行了研究分析。针对高超声速飞行器多变量二阶系统模型,利用反步法和终端滑模理论,并结合自适应技术,依次提出了反步控制器和自适应终端滑模控制器。为了进一步增强系统的鲁棒性,降低系统的控制增益,利用非齐次干扰观测器估计系统扰动,并基于非奇异终端滑模控制理论,提出了终端滑模鲁棒控制器,进一步改善了系统的动态性能和稳态性能。其次,针对带有模型参数不确定性、外界干扰和输入受限情形的高超声速飞行器跟踪控制问题进行了研究分析。针对高超声速飞行器多变量二阶系统,通过引入饱和函数,利用辅助系统和微分中值定理,依次提出了抗饱和的自适应鲁棒跟踪控制策略和抗饱和的自适应积分终端滑模控制策略。为了提高系统的抗干扰性能,利用非齐次干扰观测器在线估计系统干扰,基于终端滑模理论,通过引入新型饱和函数解决了控制器奇异问题。上述所提出的控制器不仅能够满足执行器物理受限的要求,且保证了高超声速飞行器跟踪控制性能。再次,针对带有外界干扰、模型参数不确定性和输入故障情形的高超声速飞行器跟踪控制问题进行了研究分析。针对带有执行器故障的多变量二阶系统,基于被动容错思想,分别利用非线性函数和终端滑模理论,依次提出了基于非线性函数和终端滑模的故障容错控制策略。进一步考虑输入受限的情形,通过引入饱和因子和辅助系统,利用终端滑模控制理论和自适应技术,提出了两种抗饱和的终端滑模故障容错控制器。上述所设计的故障容错控制策略,不仅满足了执行器物理受限的要求,且具有较强的容错能力。最后,针对带有外界干扰、模型参数不确定性、输入受限、执行器故障和状态约束情形的高超声速飞行器跟踪控制问题进行了研究分析。针对带有跟踪误差约束的情形,通过误差性能指标函数,利用滑模控制理论和自适应控制技术设计了自适应滑模跟踪控制器,使得跟踪误差能够满足所期望的误差指标函数。进一步考虑飞行状态约束,利用正切型屏障李雅普诺夫函数和自适应控制技术,分别针对速度子系统和高度子系统提出了自适应动态面速度子系统控制策略和自适应动态面高度子系统控制策略。上述所提出的控制策略不仅能够满足跟踪性能的要求,同时也能满足飞行过程中的状态约束条件。
【图文】：

论文结构

- 12 -Fig. 1-1 Structure of the thesis文结构可知，在第 2 章中，主要给出了后线性模型、输入输出反馈线性化模型、多型和执行器故障模型，这将为后续章节中 3 章中，主要研究了带有模型参数不确定跟踪控制问题。为了满足执行器物理受限要数不确定性、外界干扰和输入受限情形的一步增强高超声速飞行器的可靠性，在第、外界干扰、输入受限和执行器故障情形第 6 章中，为了保证超燃冲压发动机在飞态满足一定的约束条件，研究带有模型参

视图,锥形体,高超声速飞行器,三视图

了方便对后续章节内容的研究分析，本章对后文中用到高超声速线性模型、输入输出反馈线性化模型、多变量二阶系统模型和执型进行了介绍。超声速飞行器系统模型了便于后续章节中高超声速飞行器的相关控制策略设计，分别对模型、输入输出线性模型和引入辅助误差变量的多变量二阶系统细介绍。高超声速飞行器刚体非线性模型文选用美国 NASA 兰利研究中心提出的通用锥形体模型，通用锥视图如图 2-1 所示。从图中可以看出，气动模型为带翼的锥形体长头部尖锐，这种构型可在高超声速气流下减小飞行阻力，有效力系数，具有较大的升阻比。该模型前体是轴对称的圆锥体，机后掠角较大，尾翼呈现单垂直状，具有可升降的左右副翼。通用速飞行器模型的结构参数如表 2-1 所示。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448

【参考文献】