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基于Tube的高超声速飞行器鲁棒预测控制研究

任艳丽  
【摘要】:高超声速飞行器由于其突出的军事和民用价值,受到了世界各国的广泛关注和研究。但是飞行器具有高度非线性、强耦合、快时变和不确定等特点,给稳定控制器的设计带来了很大的难题,如何为高超声速飞行器设计出具有强鲁棒性的控制器是一项极具挑战性的研究。本文主要考虑高超声速飞行器的鲁棒控制研究,以实现稳定跟踪为目的,依次针对以下三方面进行研究。首先,基于高超声速飞行器的多胞线性参变(LPV)模型,考虑外部有界扰动的影响,设计了Tube鲁棒预测控制器(Tube-RMPC)。利用雅克比线性化和张量积方法,将非线性模型转换为了多胞LPV模型;针对标称系统和实际系统分别设计了相应的控制律,驱动标称系统状态到平衡点,实际系统的状态始终保持在以标称轨迹为中心的Tube管内,保证了实际系统的鲁棒渐近稳定。外部有界扰动通过最小鲁棒正不变集来限定,而实际系统的输入约束通过缩小标称控制输入约束范围来满足。控制器的有效性通过与其他RMPC控制器进行仿真对比得到了验证。其次,由于在实际飞行过程中,飞行器的部分状态是难以直接或精确测量的,为此,针对带有界外部扰动且系统状态部分不可测的高超声速飞行器,结合Luenberger多胞状态观测器,设计了输出反馈Tube-RMPC。利用可测的高度和速度状态量信息,采用多胞状态观测器对攻角、俯仰角和俯仰率进行了在线估计,基于这些状态的估计值设计了输出反馈Tube-RMPC控制器。其中,估计误差和控制误差分别通过两个鲁棒正不变集来限定。仿真结果验证了多胞观测器的精确观测性和鲁棒输出反馈控制器的有效性。最后,考虑到飞行过程中,飞行器的执行机构可能会发生随机漂移或损伤故障,设计了基于加权Tube-RMPC的被动容错控制器。首先将发生的故障转换为附加项的形式,考虑其最坏情况下的最大值,进行鲁棒控制研究。然而考虑到实际飞行中,不一定会发生最坏情况,因此,在前面Tube-RMPC控制方法的基础上,引入了加权调节因子α。通过调节α的值来中和系统的控制性能和鲁棒性能,使得系统的跟踪性能和容错性能得到折衷。仿真验证了该控制器的容错能力,以及α值对系统性能的影响。


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