高超声速飞行器鲁棒协调控制技术研究

发布时间：2020-04-13 02:44

【摘要】：高超声速飞行器具有机动性强、速度快以及强耦合等特性,设计有效的鲁棒协调控制器可以显著的提高其安全性与可靠性。然而,研究此类飞行器的协调控制面临诸多难点,主要原因在于变量间的强耦合以及气动参数、气动舵面间的交叉耦合效应加剧了控制器设计的难度,此外还需要在设计控制器过程中充分考虑参数不确定以及外部扰动。本文围绕高超声速飞行器协调控制问题,给出了高超声速飞行器的数学模型,并研究了强耦合与参数不确定条件下的鲁棒协调控制方法。本文的主要研究内容如下:首先根据国内外公开的文献资料给出了高超声速飞行器六自由度十二状态数学模型。并在此基础上对高超声速飞行器的状态变量进行耦合特性分析,其中主要包括以下几个方面:姿态角之间、姿态角与姿态角速率之间、气动舵面之间与纵向系统间的耦合特性与耦合极性。其次,针对高超声速飞行器姿态系统设计了协调控制器。首先运用数学采样方法计算了姿态系统变量间的耦合度,并以此进行耦合分析。其次为了扩展耦合度在控制上的应用,又基于耦合度定义了耦合熵。然后在姿态模型基础上设计了协调因子,其中协调因子的参数为对应变量的耦合熵。最后将协调因子与所设计的控制律结合推导协调控制力矩,并将所得协调控制力矩通过快回路舵面分配矩阵分配为舵面偏转指令,通过舵面偏转指令实现协调。然后,在姿态协调控制器基础上,设计了姿态鲁棒协调控制器。首先将姿态角的强耦合统一处理并设计了姿态角协调因子。其次还考虑了气动舵面间的耦合效应。最后针对气动参数的摄动和扰动,基于投影映射算法与非线性观测器方法设计了鲁棒协调控制器。接着,考虑到耦合与控制系统稳定之间的关系以及耦合极性的自动判断问题,设计了基于耦合特性指数的姿态鲁棒协调控制器。首先基于误差模型引出了耦合特性指数(CCI),CCI有两个作用:1.耦合特性指数可以分析耦合与控制系统稳定性间的关系;2.耦合特性指数可以有效的区分耦合极性,与此同时,利用控制器保留可利用耦合的同时削弱不可利用耦合。最后,针对高超声速飞行器纵向通道设计了鲁棒协调控制器。首先从模型与耦合度的角度分别分析了纵向姿态变量间的耦合关系。其次基于分层协调思想分别设计了速度子系统、高度/航迹角子系统的耦合补偿控制器,然后基于弱化耦合思想设计了攻角/俯仰角速率子系统的耦合转换控制器。最后针对气动参数的不确定性,基于投影映射算法设计了自适应估计器来逼近系统中的不确定。
【图文】：

示意图,示意图,高超声速飞行器,特定目标

30~100km 之间，也使得当前防空系统难以对这一高度的飞行器进行有效拦截，因此高超声速飞行器具有极强的战场生存能力，可以做到快速打击，迅速撤退。（4）作战效能高，可以实施特定目标打击高超声度飞行器集高速、高毁伤、高生存能力等优点与一身，能够快速打击特定目标，使特定目标瞬间被摧毁。高超声速飞行器发射弹道，因其极快的打击速度，因此具有惊人的动能，对于地下的指挥中心、弹药库等核心目标可以实施穿透性袭击，因此，高超声速武器具有强大的毁伤能力。高超声速武器在发射以后借助自身携带的 GPS 以及全球信息栅格系统的侦查，可以在极短时间内对移动目标进行打击，目标一旦被高超声速武器锁定基本上瞬间就会被摧毁，不会给移动目标任何反应时间。在未来战争中，高超声飞行器可以实现 2h 内攻击地球任何位置，，特别是对于时间敏感的目标真正实现了“发现即摧毁”，对赢得战争的胜利起到了决定性的作用。美国在高超声速飞行器的研制中一直处于领先地位，同时也投入了巨大的资源[12-13]。从上世纪六十年代开始，先后计划研制了 X-33、X-38、X-40、X-43、X-51A 等类型的高超声速飞行器，其中最具有代表性的是 Hyper-X 计划和 X-37B、X-51A 计划。此外，美国还成功试验了 XB-70 高空高速战略轰炸机。
【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】：2018
【分类号】：V249.1;V448

【相似文献】