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高超声速滑翔飞行器自适应有限时间制导方法

董晨  
【摘要】:高超声速滑翔飞行器的飞行速度快、飞行空域广,具有极大的商业和军事价值。飞行器的运动具有非线性、强耦合、状态大范围快变等复杂特性,并且存在多种约束和不确定性,这给飞行器制导带来很多困难。针对上述问题,论文对高超声速滑翔飞行器的滑翔段制导和精确导引问题进行深入研究,提出一种考虑不确定性的自适应有限时间制导方法,使它适用于具有复杂运动特性的对象,能满足多种约束,并能抑制不确定性对制导的不利影响,获得较高的制导精度。论文主要开展以下研究: 针对由飞行器制导问题抽象而来的一类存在扰动的线性系统的控制问题,提出一种新的有限时间线性控制方法和有限时间线性扩张状态观测器(FT-LESO),为制导方法研究提供理论基础。分别在状态反馈和动态输出反馈条件下,研究有限时间线性控制方法,给出控制器参数与系统收敛速率、调节时间的解析关系,为控制器在线快速设计提供依据;提出FT-LESO来观测系统中的扰动,给出观测器参数与观测误差的收敛速度、调节时间及稳态值的解析关系,以此设计观测器参数实现快速准确的扰动观测,为扰动补偿创造良好的条件。 针对滑翔段参考轨迹制导中的不确定性及多约束下的参考轨迹生成问题,提出一种适应参数及任务变化的三维参考轨迹自适应生成方法,它能自主、快速的生成满足多种约束的三维参考轨迹,适用于进行大侧向机动的飞行任务,并具有良好的在线计算潜力。考虑到由不确定性造成的模型参数变化,基于在线模型参数估计,通过在线生成三维参考轨迹使其适应模型参数的变化;考虑飞行过程中变更目标的情况,基于更新的目标信息,在线生成三维参考轨迹使其适应飞行中改变目标的飞行任务。 针对滑翔段参考轨迹制导中的不确定性及控制约束下的轨迹跟踪控制问题,提出考虑不确定性的自适应有限时间轨迹跟踪控制方法。将不确定性的综合影响视为系统中的扰动,利用扰动观测器对其进行观测,通过扰动补偿提高轨迹跟踪控制效果。基于有限时间控制方法设计纵向轨迹跟踪控制律,通过在线调整控制律参数,保证控制约束的满足,并使系统具有期望的收敛性能,从而获得良好的轨迹跟踪效果;通过倾侧反转调整航向,利用临近目标区域时的终端航向修正来减小不确定性造成的较大终端航向偏差,提高制导精度。 针对精确导引阶段的不确定性及多约束下的导引问题,提出考虑不确定性的自适应有限时间精确导引方法。基于有限时间控制方法分别设计纵向导引律和侧向导引律。通过扰动观测器观测由不确定性造成的扰动,并在导引律中对扰动进行补偿,提高存在不确定性时的导引精度。根据飞行状态及剩余飞行时间在线自适应调整导引律参数,保证攻角、侧滑角、导引头视场等满足过程约束,同时使视线角及其转率在终端时刻收敛到期望值,保证终端约束的满足、获得较高的导引精度。 通过数值仿真验证提出的制导方法,多种情况下的仿真结果表明,制导方法能适应目标固定以及飞行过程中变更目标的飞行任务,满足多种过程约束与终端约束,并且在存在大气密度变化、气动力系数变化、未知目标加速度、未建模动态等多种不确定性的条件下获得较高的制导精度。论文提出的制导方法是有效的,并且制导精度高于文献给出的制导方法。论文的研究工作能为相关飞行器制导方法研究提供理论基础。


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