高超声速横向机动非线性控制算法及验证平台设计

发布时间：2017-07-18 02:21

  本文关键词：高超声速横向机动非线性控制算法及验证平台设计

  更多相关文章： 高超声速飞行器 再入机动 非线性广义预测控制 改进滑模干扰观测器 Anti-windup补偿系统 仿真平台

【摘要】：鉴于日趋紧张的国际形势以及为满足未来国防安全的需要,高超声速飞行器(HSV,Hypersonic Vehicle)已成为各军事大国的研究焦点,其在军事领域和民用领域有着不可估量的战略及应用价值。高超声速飞行器的横向机动控制系统作为其飞行控制系统的重要组成部分,对提高其军事生存能力起着至关重要的作用。然而,复杂的飞行环境、多变的干扰以及舵面偏转饱和等问题,使得HSV再入横向机动控制系统的设计充满了挑战。围绕上述问题,本文开展了相应的研究工作:首先,建立高超声速飞行器再入机动数学模型。针对其强非线性、强耦合性和快时变的特点,参考BTT控制方式,通过对航迹和姿态角回路的控制实现了HSV的无侧滑横向机动转弯飞行。其次,针对机动过程中的不确定及干扰问题,本文提出改进滑模干扰观测器(ISMDO:Improved Sliding Mode Disturbance Observer)来对参数不确定及外界干扰进行估计,在此基础上,提出了基于ISMDO的非线性广义预测控制(NGPC:Nonlinear Generalized Predictive Control)方法,将其应用在高超声速飞行器的横向机动控制系统中,经仿真验证,取得了良好的控制效果。然后,针对高超声速飞行器再入机动过程中舵面偏转饱和的问题,提出了外部anti-windup补偿系统结合NGPC的控制策略来缓解或消除其对系统的不良影响。经仿真验证,该方法确实能够实现对气动舵面偏转饱和的控制补偿作用,进而为高超声速飞行器横向机动飞行的顺利进行提供了保障。最后,搭建了用于验证高超声速飞行器控制算法的半实物仿真平台。硬件上,完成了高超声速飞行器实时仿真计算机、飞行控制计算机、监控计算机与物理舵机的相互通信,构成了硬件的闭环控制回路。软件上,完成了数学模型和控制器的实时解算,飞行控制结果的显示。实验表明仿真平台能够很好地检验控制算法的实时性及鲁棒性,达到了预期的效果。
【关键词】：高超声速飞行器 再入机动 非线性广义预测控制 改进滑模干扰观测器 Anti-windup补偿系统 仿真平台
【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】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 本文研究背景、目的和意义12-13
• 1.2 高超声速横向机动控制的研究现状13-18
• 1.2.1 高超声速横向机动面临的问题13-15
• 1.2.2 现代飞行控制方法研究现状15-16
• 1.2.3 飞控系统半实物仿真平台设计16-18
• 1.3 本文主要研究内容18-20
• 1.3.1 本文的主要工作18-19
• 1.3.2 本文的创新点19-20
• 第二章 高超声速飞行器机动飞行数学模型及分析20-31
• 2.1 引言20
• 2.2 高超声速飞行器的几何模型和操纵20-22
• 2.3 高超声速飞行器六自由度非线性数学模型22-25
• 2.3.1 基本假设22
• 2.3.2 常用坐标系定义及飞行器运动参数22-24
• 2.3.3 高超声速飞行器数学模型24-25
• 2.4 空气动力及气动力模型25-26
• 2.5 HSV机动飞行控制系统结构图及仿射非线性方程的建立26-30
• 2.5.1 HSV飞行状态量之间的关系26-27
• 2.5.2 HSV仿射非线性方程的建立27-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 基于改进滑模干扰观测器的高超声速再入横向机动控制系统设计31-47
• 3.1 引言31
• 3.2 非线性广义预测控制基本原理31-35
• 3.3 HSV再入横向机动控制系统设计35-38
• 3.3.1 HSV再入横向机动控制系统结构35-36
• 3.3.2 HSV再入横向机动航迹回路控制系统设计36-37
• 3.3.3 HSV横向机动姿态回路控制系统设计37-38
• 3.4 改进滑模干扰观测器设计38-43
• 3.4.1 超螺旋super-twisting算法38-39
• 3.4.2 基于super-twisting改进滑模干扰观测器设计39-43
• 3.5 系统闭环稳定性分析43
• 3.6 高超声速飞行器仿真验证43-46
• 3.7 本章小结46-47
• 第四章 HSV再入横向机动舵面抗饱和系统设计47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 输入饱和闭环控制系统47-48
• 4.3 anti-windup系统48-50
• 4.4 HSV再入横向机动抗饱和控制系统设计50-55
• 4.4.1 HSV再入横向机动抗饱和控制系统结构51-52
• 4.4.2 基于NGPC抗饱和Anti-windup系统设计52-53
• 4.4.3 HSV再入横向机动抗饱和姿态回路控制系统设计53-54
• 4.4.4 再入机动轨迹回路控制系统设计54-55
• 4.5 高超声速飞行器仿真验证55-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第五章 HSV机动飞行半物理仿真平台设计58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 仿真平台总体设计58-61
• 5.2.1 功能设计要求58-59
• 5.2.2 基于飞控模型的半实物仿真平台59
• 5.2.3 仿真平台总体方案59-61
• 5.3 仿真平台硬件组成61-62
• 5.4 仿真平台的软件构成62-71
• 5.4.1 仿真软件运行环境62-63
• 5.4.2 飞行系统分模块软件设计方案63
• 5.4.3 数学模型仿真算法63-65
• 5.4.4 HSV模型计算机软件流程65-66
• 5.4.5 HSV半实物仿真监控界面设计66-68
• 5.4.6 仿真示例68-71
• 5.5 本章小结71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 本文的主要创新工作及贡献72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-79
• 致谢79-80
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文80

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1 王倩;高超声速飞行器飞行控制系统设计方法与仿真研究[D];复旦大学;2011年

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本文编号：555608