高超声速飞行器制导控制一体化设计方法

发布时间：2018-01-08 21:11

  本文关键词：高超声速飞行器制导控制一体化设计方法　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： 高超声速飞行器 制导控制一体化设计 全局有限时间稳定 抗饱和控制 性能评估

【摘要】：高超声速飞行器具有飞行速度快、飞行空域广且突防概率高等特点,极具商业和军事应用价值。但是,高超声速飞行器进行俯冲运动过程中具有强非线性、强耦合性、快时变等特性,同时存在多种约束与不确定性影响,这给飞行器制导与控制系统设计带来很多困难。论文针对高超声速飞行器的俯冲段制导与控制系统设计方法展开研究,提出适用于此类特殊研究对象的制导控制一体化设计方法,为高超声速飞行条件下凸显出的特殊问题给出合理的解决方案。通过建立制导与姿态控制系统间协调的关系,实现精度更高、鲁棒性更好的控制效果。论文主要开展以下的研究工作:论文首先构建了高超声速飞行器的数学模型,结合模型形式就高超声速飞行器的特性进行了分析。通过对高超声速飞行条件下,模型的耦合性、非线性等因素的变化趋势分析,阐明针对高超声速飞行器进行制导控制系统设计的难点。由于高超声速飞行器具有快时变特性,获取视线角速度信息过程中产生的误差以及系统存在的不确定性对系统影响变得更明显。针对此问题首先提出一种状态/扩张状态观测器设计方法,该方法可以保证高阶观测器系统实现全局有限时间稳定;在此基础上,又提出带有状态/扩张观测器的制导与控制系统一体化设计方法。所提出的状态/扩张状态观测器设计方法,由于对高阶观测器系统进行整体考虑并加强观测器子系统间的联系,可有效改善观测器性能,与制导控制一体化设计方法相结合可以快速估计并利用视线角速度信息与系统不确定性信息,从而降低视线角速度误差以及系统不确定性产生的影响,提高系统的鲁棒性。针对高超声速飞行器快时变、多约束特性导致的状态与控制输入饱和问题,提出一种可以保证全局有限时间收敛的抗饱和制导控制一体化设计方法。以制导与控制一体化纵向平面设计模型为基础,首先提出全局有限时间制导控制一体化设计方法,通过令高阶级联系统中的子系统之间建立相互协调匹配的关系,保证子系统全局一致有限时间稳定,进而减少过度控制;然后对状态与控制输入饱和因素加以考虑,将设计方法进一步改进提出全局抗饱和制导控制一体化设计方法,考虑饱和因素的设计方法由于采用了嵌套抗饱和方法,将局部子系统产生的饱和影响由其它子系统共同配合进行去饱和处理,最终实现全局抗饱和的控制效果,改善系统的鲁棒性。针对高超声速飞行器的强非线性、强耦合特性导致的三维制导控制系统控制精度不高的问题,提出分通道/考虑通道耦合的制导控制一体化设计方法。充分考虑质心运动与绕质心运动间的耦合关系,将飞行器非线性模型中的控制通道耦合关系近似忽略,分别在俯仰、滚转、偏航三个通道提出制导控制一体化设计方法;在分通道设计方法的基础上,以完整的飞行器三维非线性模型为基础,采用反步控制方法与动态逆控制方法结合提出考虑通道耦合的制导控制一体化设计方法。两种设计方法均能够解决高超声速飞行器非线性及耦合性引起的控制精度差的问题。随着对系统耦合因素考虑更多,可以减少过度控制,进一步提升终端精度。制导控制系统设计方案通常需要群组专家评估来辅助优化,为了解决群组专家性能评估的问题,提出一种面向制导控制系统的性能评估方法,同时设计并实现了仿真与性能评估综合分析平台来辅助分析设计方案。所提出的性能评估方法可以充分融合群组评估信息,降低奇异个体结论产生的影响,获取更客观评估结论;采用综合分析平台可便捷地实现仿真系统模型建立、试验设计、仿真试验以及性能评估,以提出的指标综合方法,基于仿真试验数据可以获取相应的评估结论;以三维制导控制一体化设计方法和制导与控制系统双回路传统设计方法为实例进行评估分析,验证性能评估方法及综合分析平台的有效性。
[Abstract]:This paper presents a new design method for guidance and control system for hypersonic vehicles . In order to solve the problem of nonlinear and coupling of hypersonic vehicles , the paper presents a method for evaluating the performance of hypersonic vehicle , which can reduce over - control and further improve the accuracy of terminal .

【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】：2017
【分类号】：V448

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本文编号：1398678