高超声速飞行器气动弹性建模与鲁棒变增益控制
[Abstract]:Hypersonic vehicles have been paid much attention by the world's military powers because of their broad application prospects in civil and military fields, and become the main research direction of aerospace flight technology. From the point of view of control science, these challenges mainly include the coupling between aerodynamic/elastic/control systems, the coupling between airframe and engine, the drastic change of system parameters caused by long-span flight, the inefficiency of control rudder surface and the near-critical stability of closed-loop systems. Aiming at the problems of aeroelastic analysis and control-oriented model of hypersonic vehicle, this paper analyzes the aerodynamic force and elastic deformation of hypersonic vehicle and the second one, according to the analysis problem, establishes the model, puts forward the problem, puts forward the control method, designs and synthesizes the controller. The nonlinear motion model of the aircraft is established by introducing new variables. The corresponding control algorithms are given for uncertainties and parameter variations respectively. A complete controller design and synthesis method is given to ensure the attitude stability of the aircraft during cruising and long-span flight. The airflow zoning characteristics of hypersonic vehicle in hypersonic flow are given, and the relationship between airflow characteristics and altitude, velocity and angle of attack is given. The resultant moments provide the basis for the subsequent analysis of the relationship between aerodynamics and elasticity, the establishment of hypersonic vehicle and the design of flight control system. Essential relationship between aerodynamics and elasticity is presented, and the concept of induced attack angle is proposed. The dynamic characteristics of induced attack angle have a concise form and can describe the characteristics and relations of unsteady aerodynamics and elastic deformation simultaneously. The nonlinear equations of motion of hypersonic vehicle with aeroelastic information are given by modifying the rigid body model. The aeroelastic model of hypersonic vehicle is the basis of control system design in the following work. In the framework of LPV system, the problem is reduced to a standard H problem. According to the characteristics of multi-cell LPV system, the algorithm of LPV robust variable gain controller is given by using affine parameter-dependent Lyapunov method. Secondly, the model of LPV system is established by taking altitude and speed as scheduling variables, and the model is transformed into a multi-cell LPV system. The H_ robust variable gain controller is synthesized by choosing suitable weighting function and solving LMI problem. The simulation results show that the controller can effectively guarantee the stability of the system in the presence of disturbances and uncertainties. As a comparison, the control effect of the single-point controller based on the LTI system under the corresponding flight conditions is given. The comparison results show that the controller can effectively guarantee the stability of the system in the presence of disturbances and uncertainties. According to the mission requirements of hypersonic vehicle, a trajectory tracking control system is designed. According to the principle of frequency band separation, the controlled object is divided into high-frequency loop and low-frequency loop. The LPV attitude stabilization controller and trajectory tracking controller are synthesized by using multi-loop control structure. The obtained controllers are used to track the general periodic attenuated flight trajectory and the X43-A climbing test flight trajectory respectively. The simulation results show that the controller can effectively guarantee the aircraft to track the given trajectory instructions.
【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】:2016
【分类号】:V211.47;V249.1
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,本文编号:2195207
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