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高超声速飞行器纵向模型的非线性控制方法研究

张园园  
【摘要】:高超声速飞行器是航空和航天发展到一定程度的结合物,是一项前瞻性、战略性、带动性的科技工程,具有很强的民用和军事应用价值,涉及到很多学科,是诸多前言技术的集合,其中飞行控制技术作为其中一项非常关键技术成为受到普遍关注和重视的前沿课题和研究热点。由于高超声速飞行器飞行速度快,飞行高度高,飞行环境恶劣,其系统存在高度非线性、强烈的耦合性、快速的时变性和严重的不确定性的特征,这就给高超声速飞行器飞行控制系统的设计带来了极大的困难和挑战。围绕这一难题,论文立足于拓展新的理论和方法,对高超声速飞行器纵向运动的非线性控制方法进行了深入研究,全文主要成果如下: (1)基于高阶滑模理论设计了3阶和4阶的Quasi-continuous滑模控制器对速度和高度指令进行跟踪,与传统滑模控制器进行了对比分析,Quasi-continuous高阶滑模控制可以减少速度和高度阶跃响应时间,并采用鲁棒精确微分器来克服高阶滑模导数不易测量的困难。为了抑制滑模的抖振现象,首先把升高系统相对阶升高到4阶和5阶,再对未进入滑模面前的初始瞬态过程进行处理,结合这两种方法设计出4阶和5阶的Quasi-continuous滑模控制器,结果表明这样能够把控制输入的抖振降低到10-3量级。 (2)由于高超声速飞行器在飞行过程中,自身结构和外界扰动不确定扰动是无法预测的,很难保证不确定性因素能够满足匹配条件,所以本论文采用指数滑模反步法对高超声速飞行器非匹配不确定的纵向模型设计鲁棒控制器,抑制不确定性因素的扰动。首先将飞行器的运动方程分成速度子系统和高度子系统,在子系统中把其非匹配的外界扰动假设成一个函数,并采用一个有界函数对其进行限制。然后对飞行速度和飞行高度系统分步构建Lyapunov函数来设计指数滑模反步控制律,以保证系统沿着所设计的滑模面逐渐跟踪指令信号并最终达到稳定状态,并从理论给出了详细的证明。仿真结果也表明指数滑模反步法能够很好地抑制外界非匹配干扰,并能够实现输入指令信号的跟踪。 (3)把高超声速飞行器外界因素干扰看成Brown运动和Poission过程的叠加,进而将高超声速飞行器纵向模型看成随机跳扩散系统。首先基于Lyapunov方法给出了非线性随机跳扩散系统在均方和几乎必然意义下的指数稳定性的准则,然后针对线性跳扩散系统,采用线性状态反馈控制律进行控制,以线性矩阵不等式形式给出随机线性跳扩散系统稳定性判定准则,这种准则能够更方便地寻找状态反馈的线性增益值,更容易地对进行稳定性分析、更便捷地实现系统编程计算。最后对巡航状态下高超声速飞行器纵向随机跳扩散系统线采用性状态反馈进行控制,仿真表明能够跟踪速度和高度指令信号并最终达到稳定状态。


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