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高超声速飞行器的非线性输出反馈控制设计

李信栋  
【摘要】:采用超燃冲压发动机的高超声速飞行器由于采用机体/发动机一体化等设计技术,加上飞行环境的复杂多变,导致机体、推进系统以及结构动态之间的耦合很强,模型的非线性度很高;同时由于高超声速飞行器飞行高度和飞行马赫数跨度范围大,使得飞行过程中气热特性和气动特性剧烈变化;动力学模型存在大量的不确定气动参数以及未知扰动,这些都极大影响飞行稳定性和可靠性,给飞行器的飞行控制设计带来了极大挑战。 本文主要针对高超声速飞行器的纵向模态进行速度与高度跟踪控制器的设计。首先分析了系统纵向模态运动方程与动力学方程以及飞行器的飞动特性和气热特性。然后针对复杂模型采用反馈线性化方法对其进行输入/输出线性化,进而通过恰当的数学变换,得到便于控制设计的动力学模型。 根据变换后纵向模型,本文设计了一种非线性输出反馈控制方法,在飞行器中只有速度和高度可测量的限制条件下,采用高增益观测器来分别估计前面线性化过程中出现的速度和高度的各高阶导数项;同时设计了基于径向基神经网络的前馈控制,以补偿飞行器动力学模型中存在的部分 不确定结构与参数,从而提高跟踪控制效果,可以看出在整个控制器的设计中所需要的关于飞行器模型的信息很少。文中应用基于Lyapunov方法等稳定性分析手段,证明了所设计的非线性输出反馈控制策略能够确保闭环系统信号有界,同时使得控制器实现半全局一致最终有界(SGUUB)跟踪。最后通过仿真分析可以验证所设计控制器使得飞行器具有良好的高度和速度跟踪性能,并且对于系统中存在不确定性具有良好的鲁棒性。


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