高超声速飞行器纵向通道的预测控制器设计及可视化仿真

【摘要】：高超声速飞行器在军事及民用领域都具有特殊的战略意义,因此已成为各国航空航天领域的研究热点,但其强非线性、快时变、硬约束及大包络飞行等特点,导致对其进行控制器设计面临一系列困难。如何为高超声速飞行器设计一个保证其稳定飞行及高效指令跟踪的控制器是高超声速飞行器研发过程中的一个关键问题。本文针对高超声速飞行器的特点,研究了预测控制算法在其纵向通道控制中的应用,并给出了控制器设计方法及可视化仿真。 首先,在对高超声速飞行器建模方法进行综述的基础上,对其纵向通道的动力学模型进行了研究,掌握了其运动方程及气动特性,并基于MATLAB及Flightgear飞行模拟软件搭建了高超声速飞行器的可视化仿真环境,为后续的控制器设计及仿真研究工作奠定了基础。 其次,针对高超声速飞行器的巡航飞行,设计了基于状态空间模型的预测控制器,仿真结果表明了预测控制算法在高超声速飞行器纵向通道控制中的可行性。考虑到飞行过程中必然出现的模型参数不确定性,本文将鲁棒预测控制器设计方法应用于高超声速飞行器纵向通道的飞行控制中,并结合仿真验证了所设计的控制器能够在模型参数发生摄动的情况下取得满意的控制效果。 最后,针对高超声速飞行器的大包络飞行,本文研究了两种基于多模型切换的预测控制器设计方法。一是研究了基于速度切换的多模型预测控制方法,通过对参考轨迹及切换准则的改进实现了对大范围速度指令信号的快速跟踪。二是提出了基于动压切换的多模型预测控制方法,保证飞行器在飞行高度发生变化时,仍然能够实现大范围速度指令跟踪,并通过仿真验证了控制器设计的有效性。