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高超声速飞行器建模及其先进飞行控制机理的研究

刘燕斌  
【摘要】: 与其它飞行器相比,由于高超声速飞行器大范围的飞行环境以及迅速变化的机体质量,其动态特性在整个飞行包线内是极易变化的。此外,由于高超声速飞行器采用机体耦合结构以及飞行在高海拔和大马赫数的条件下,导致其对气动条件的变化相当敏感,并且高超声速飞行器在飞行过程中还受到结构动态,推进动态以及它们之间耦合的影响,其气动和推进特性是不确定的,甚至难以估计。这些因素的影响,使得高超声速飞行器的模型是不确定的,多变量的,不稳定的,并且存有输入输出之间的强耦合,因此,为高超声速飞行器设计出具有高度非线性控制能力和鲁棒性能的控制器显得尤为重要。 为了掌握高超声速飞行器复杂的动态特性,建立了其模型的微分方程,方程包括刚性和弹性模态。并运用仿真工具得到了纵向和横侧向模态的气动参数和特征值,计算出了在不同飞行速度和高度下巡航平衡飞行的状态值,获取了整个飞行过程中近似的飞行包线。通过分析这些所获得的结果,可以了解高超声速飞行器的动态特性和飞行特点。此外,还能为高超声速飞行器的飞行控制系统设计提供适当的被控对象。针对高度非线性和强耦合的高超声速飞行器数学模型,引入了反馈线性化原理,将其非线性的数学模型转化成符合控制设计要求的等效线性模型。并通过适当的变换,设计出了高超声速飞行器动态逆控制系统,可以达到稳定系统,解除耦合影响的目的。 对于高超声速飞行器匹配不确定的控制问题,提出了基于变结构理论的动态逆控制方法。该方法将逆控制的非线性解耦能力与变结构理论的鲁棒性能有机结合,能够被用来解决一类高超声速飞行器具有参数和结构匹配不确定性的控制问题。 对于高超声速飞行器非匹配不确定的控制问题,采用了自适应的反步法和变结构反步法,这两种方法分别用来解决可参数化非匹配不确定和不可参数化非匹配不确定控制问题。在设计高超声速飞行器控制系统的过程中,采用非线性动态逆控制作为控制内环,以消除多变量之间的耦合,而以自适应的反步法和变结构反步法作为控制外环,以保证系统的全局稳定性,抑制非匹配不确定性所带来的扰动。 考虑到高超声速飞行器具有部分或者全部未知的模型动态,采用了带补偿的自适应动态逆控制方法和基于函数逼近的自适应控制方法。前者通过可以在线调节的神经网络输出来补偿高超声速飞行器模型误差,后者通过单隐层神经元或模糊逻辑系统来逼近未知的高超声速飞行器模型动态,并应用李雅普诺夫方法将外界扰动和逼近误差抑制在指定的范围内。 针对高超声速飞行器模型动态和阶数都未知的情形,采用了总能量控制原理。利用发动机的推力和升降舵分别控制总能量的改变和分配,并通过合理改变和分配能量,确保高超声速飞行器良好的非线性解耦能力和强鲁棒性能。此外,为了提高控制精度,将模糊逻辑控制与总能量控制原理结合起来进行研究,以总能量控制原理来设计模糊逻辑规则。 最后是全文的总结和展望。


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