高超声速飞行器有限时间滑模控制器和观测器算法研究

发布时间：2017-08-23 05:28

  本文关键词：高超声速飞行器有限时间滑模控制器和观测器算法研究

  更多相关文章： PID时变滑模控制 有限时间控制 积分滑模控制 刚体-弹性体建模 扰动观测器

【摘要】：高超声速飞行器飞行空域大,具有快时变、强不确定性、非线性以及多通道耦合等特点,为了满足姿态控制系统控制精度和跟踪性能,本文开展高超声速飞行器有限时间滑模控制器和观测器算法研究。首先,针对传统的基于PID、PD型滑模函数的控制算法存在到达段等缺点,设计PID型时变滑模控制律,实现全局滑模,提高系统鲁棒性,并利用Lyapunov稳定性定理对系统的稳定性进行了分析。同时,针对边界层消抖技术带来的控制精度降低等问题,设计有限时间滑模观测器,并将其引入控制器设计中,用来提高系统跟踪精度。其次,针对被控系统在PID、PD型滑模控制器作用下收敛速度慢等问题,将积分滑模和基于齐次定理的有限时间控制算法相结合,设计有限时间滑模控制器,加快系统收敛速度。同时设计加幂积分和积分滑模相结合的有限时间滑模观测器并进行控制律补偿,提高系统的跟踪精度。最后,针对高超声速飞行器弹性效应显著,刚体、弹性体耦合严重等特点,进行飞行器面向控制的刚体-弹性体建模及控制方法研究。针对飞行器爬升段,设计基于超螺旋算法的有限时间滑模控制器对飞行高度和速度进行跟踪控制,同时引入扰动观测器进行控制律补偿,提高跟踪精度。针对机体弹性振动对刚体状态带来的影响,设计线性陷波滤波器进行滤波,用来提高整个系统的稳定性。针对上述三种控制策略,搭建了再入飞行器姿态控制系统仿真平台,并且验证了本文所提控制算法的可行性以及有效性。
【关键词】：PID时变滑模控制 有限时间控制 积分滑模控制 刚体-弹性体建模 扰动观测器
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 本论文研究的目的和意义10-11
• 1.2 高超声速飞行器的发展概况11-13
• 1.3 高超声速飞行器姿态控制方法综述13-15
• 1.3.1 增益调度方法13-14
• 1.3.2 SDRE控制方法14
• 1.3.3 反馈线性化14-15
• 1.3.4 滑模控制方法15
• 1.4 积分/有限时间滑模控制方法概述15-16
• 1.4.1 积分滑模方法16
• 1.4.2 有限时间滑模方法16
• 1.5 高超声速飞行器弹性体控制方法概述16-17
• 1.6 扰动观测器概述17
• 1.7 研究内容及章节安排17-20
• 1.7.1 研究内容17-18
• 1.7.2 章节安排18-20
• 第2章 飞行器六自由度数学建模20-40
• 2.1 引言20-21
• 2.2 坐标系定义及转换关系21-22
• 2.3 坐标系间的关系及转换22-24
• 2.4 飞行器六自由度非线性数学模型24-30
• 2.4.1 动力学方程25-27
• 2.4.2 运动学方程27-30
• 2.5 力系数和力矩系数30-31
• 2.5.1 作用在飞行器上的气动力30
• 2.5.2 作用在飞行器上的力矩30-31
• 2.6 姿态控制系统反馈线性化处理31-36
• 2.7 弹性体模型36-38
• 2.7.1 弹性振动方程建立36-37
• 2.7.2 弹性模型建立37-38
• 2.8 本章小结38-40
• 第3章 基于有限时间积分扰动观测器PID时变滑模姿态控制40-58
• 3.1 PID滑模姿态控制律设计40-43
• 3.2 PID时变滑模姿态控制律设计43-48
• 3.3 基于有限时间积分扰动观测器的PID时变滑模姿态控制律设计48-52
• 3.3.1 有限时间积分扰动观测器设计48-51
• 3.3.2 基于有限时间积分扰动观测器的PID时变滑模控制器设计51-52
• 3.4 仿真分析52-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 基于扰动观测器的有限时间滑模姿态控制58-72
• 4.1 有限时间积分滑模姿态控制律设计58-61
• 4.1.1 有限时间标称控制律设计58-59
• 4.1.2 积分滑模控制律设计59-61
• 4.2 基于扰动观测器的有限时间滑模姿态控制61-62
• 4.2.1 扰动观测器设计61-62
• 4.2.2 基于扰动观测器的有限时间滑模姿态控制律设计62
• 4.3 仿真分析62-69
• 4.4 本章小结69-72
• 第5章 基于有限时间扰动观测器的弹性飞行器滑模姿态控制72-86
• 5.1 弹性飞行器滑模姿态控制律设计以及陷波滤波器设计72-76
• 5.2 基于有限时间扰动观测器的弹性飞行器滑模姿态控制律设计76-78
• 5.2.1 扰动观测器设计76-77
• 5.2.2 基于有限时间扰动观测器的弹性飞行器滑模姿态控制律设计77-78
• 5.3 仿真分析78-85
• 5.4 本章小结85-86
• 结论86-88
• 参考文献88-94
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单94-96
• 致谢96

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本文编号：723273