基于高超声速飞行器抗干扰跟踪控制算法研究

发布时间：2020-06-09 05:37

【摘要】：针对各类飞行器的研究中,高超声速飞行器在飞行速度、隐蔽性等方面具有优势,使其成为临近空间飞行技术的主要研究对象。与传统飞行器相比,高超声速飞行器采用的机体/发动机一体化设计,使其在推进系统以及动态结构之间存在着强耦合、非线性等特性。同时,由于近空间环境的复杂性,如何在未知扰动影响下设计具有满意性能的控制器受到了自动控制领域的广泛关注。论文以NASA的Langley研究中心公布的高超声速飞行器模型作为研究对象,充分考虑外部干扰的影响,基于智能化扰动建模方法和干扰观测器设计方案,设计了一系列可行的抗干扰控制算法并系统分析了模型的动态性能。论文主要内容如下:(1)讨论高超声速飞行器纵向模型建模过程,在此基础上研究基于T-S扰动建模的抗干扰跟踪控制算法。利用小扰动线性化方法,在飞行包线内的某一平衡点获取线性化模型,验证通用高超声速飞行器模型的合理性。考虑外部干扰对系统性能的影响,利用T-S模糊模型进行扰动建模,设计干扰观测器实现对未知不规则干扰的估计。进一步,设计基于PI控制输入与干扰观测值的复合控制器,结合凸优化理论,完成对干扰的动态补偿,保证系统的稳定性和动态跟踪性能。(2)研究基于神经网络扰动建模的高超声速飞行器线性模型抗干扰跟踪控制问题。引入带有可调参数的神经网络模型对不规则扰动进行建模,在此基础上设计干扰观测器对未知干扰进行估计。进一步,结合所设计的自适应参数调节算法和凸优化理论,计算PI控制器增益和干扰观测器增益,实现对不规则干扰的估计和抵消。基于Lyapunov分析方法,证明高超声速飞行器在干扰影响下具有良好的稳定性能和动态跟踪性能。最后,仿真算例验证了神经网络模型对不同干扰的建模能力,并保证飞行器线性模型具有良好的动态性能。(3)研究基于动态神经网络辨识的高超声速飞行器纵向模型抗干扰跟踪控制问题。为了克服扰动线性化引起的建模误差大的缺点,直接考虑带有非线性项的高超声速飞行器纵向模型。在此基础上,引入动态神经网络模型对其进行辨识,分别设计非线性扰动观测器与自适应控制算法,计算观测器增益,同时完成对飞行器模型的辨识以及对外部干扰的估计。进一步,结合Nussbaum函数设计跟踪控制器,构造相应的Lyapunov函数,验证动态模型具备良好的辨识性能和动态跟踪性能。最后,仿真算例表明所提算法的可行性和有效性。
【图文】：

逡逑图１．１邋Ｘ－４３Ａ外形图逦图１．２邋Ｘ－４３Ａ发射模拟图逡逑代号Ｘ－４３Ａ为Ｈｙｐｅｒ－Ｘ计划的第一个无人高超声速飞行器的验证机，它的机身长度为逡逑３．６ｍ，翼展宽度为１．５ｍ，质量大约为Ｉｔ，采用液氢作为燃料，推进系统采用双模态超燃冲逡逑压发动机。它的优点能够在稀薄的大气中获取氧气，从而保证推进系统的正常工作［１３］。逡逑２０１０年５月，由美国波音公司研制的Ｘ－５１Ａ乘波体高超声速巡航导弹成功升空最高飞行逡逑速度达到了邋５Ｍａｃｈ，并且超燃冲压发动机运行了大约２００秒。Ｘ－５１Ａ的机身长约４．３ｍ，质逡逑量大约为７２０ｋｇ。Ｘ－５１Ａ的最初目标是检验超燃冲压发动机技术，而发展一小时攻击地球逡逑

兰利研究中心牵头，按照试飞计划和任务不同，分为Ｘ－４３Ａ、Ｘ－４３Ｂ、Ｘ－４３Ｃ、Ｘ－４３Ｄ四逡逑个型号。逡逑图１．１邋Ｘ－４３Ａ外形图逦图１．２邋Ｘ－４３Ａ发射模拟图逡逑代号Ｘ－４３Ａ为Ｈｙｐｅｒ－Ｘ计划的第一个无人高超声速飞行器的验证机，它的机身长度为逡逑３．６ｍ，翼展宽度为１．５ｍ，质量大约为Ｉｔ，采用液氢作为燃料，，推进系统采用双模态超燃冲逡逑压发动机。它的优点能够在稀薄的大气中获取氧气，从而保证推进系统的正常工作［１３］。逡逑２０１０年５月，由美国波音公司研制的Ｘ－５１Ａ乘波体高超声速巡航导弹成功升空最高飞行逡逑速度达到了邋５Ｍａｃｈ，并且超燃冲压发动机运行了大约２００秒。Ｘ－５１Ａ的机身长约４．３ｍ，质逡逑量大约为７２０ｋｇ。Ｘ－５１Ａ的最初目标是检验超燃冲压发动机技术，而发展一小时攻击地球逡逑
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V448

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本文编号：2704240