带鸭翼的弹性高超声速飞行器非线性控制

高超声速飞行器纵向静不稳定、非最小相位和突出的弹性效应等特性给飞行器控制系统设计带来严峻挑战。针对该问题,文中采取鸭翼作为附加俯仰控制舵面与升降舵进行联动控制的策略,以改善高超声速飞行器的非最小相位特性和严重的弹性效应,从而达到提高控制性能的目的。首先,给出了考虑弹性模态的高超声速飞行器动力学模型;其次,研究了鸭翼对飞行器非最小相位特性以及弹性模态响应的影响,并给出合适的鸭翼布局位置和鸭翼/升降舵联动增益参数;最后,采用基于反馈线性化方法和LQR理论的非线性控制器对弹性飞行器进行控制,对比分析了鸭翼联动控制对闭环控制性能的改善作用。研究结果表明,合理的鸭翼配置可以缓解系统的非最小相位特性带来的不利影响,同时避免了控制输入对特定弹性模态的激励,从而达到提高弹性高超声速飞行器控制性能的目的。     

考虑特征模型的高超声速飞行器全通道自适应控制

针对高超声速飞行器具有强非线性、高不确定性及强耦合等特点,提出一种基于反馈线性化控制与特征模型自适应控制相结合的姿态控制律设计方法,解决姿态控制系统的非线性耦合与不确定性,保证飞行器控制系统稳定。首先,建立高超声速飞行器全通道非线性耦合的动力学模型。其次,利用反馈线性化控制方法将全通道非线性耦合系统解耦成近似线性系统,并对线性解耦系统设计输出反馈控制律;而对于反馈线性化控制依赖于系统的精确数学模型,并对建模误差和外部干扰敏感的问题,设计基于误差特征模型的自适应控制律,提高系统的适应性;针对原动力学模型,证明闭环控制系统是有界稳定的。最后,通过数学仿真校验了控制律设计的正确性与有效性,仿真结果表明设计的姿态控制系统可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

高超声速飞行器再入段LQR自抗扰控制方法设计

针对高超声速飞行器(HSV)再入过程中强非线性、强耦合、气动参数变化剧烈的不确定性的特点，提出一种基于线性二次型调节器(LQR)和自抗扰控制(ADRC)的高超声速飞行器再入段的姿态控制方法。首先，建立高超声速飞行器再入段线性化模型，并采用LQR方法完成了状态反馈控制律设计。然后，结合自抗扰控制技术，设计了扩张状态观测器(ESO)对系统的模型不确定性和外部干扰进行补偿，大幅增强了系统的扰动抑制能力。最后，将得到的高超声速飞行器再入段LQR自抗扰姿态控制器(LQRADRC)应用于高超声速飞行器六自由度仿真，仿真结果表明本文所提出的控制方法能够快速、精确地跟踪角位置指令，并且对系统不确定性具有强鲁棒性。     

含扩张状态观测器的高超声速飞行器动态面姿态控制

针对高超声速飞行器复杂非线性、高不确定性和强通道耦合等特点,提出了一种飞行器姿态控制的非线性设计方法。根据高超声速飞行器无动力飞行的姿态运动方程组,给出一个可面向姿态控制的非线性设计模型。针对一类非线性系统,提出了一种基于扩张状态观测器（ESO）的动态逆设计方法,并通过动态面控制理论,将其应用于高超声速飞行器的三通道姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的动态面控制方案,本文所提出的控制方案可以保证飞行器快速、精确地跟踪角位置指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

高超声速飞行器基于路径跟踪的制导方法

针对具有高位置精度要求的高超声速飞行器制导问题,提出一种基于路径跟踪和自适应动态面控制（ADSC）方法的轨迹跟踪制导的方法。根据高超声速飞行器动力学建立数学模型,同时为了方便跟踪控制对数学模型进行了部分线性化处理。针对高超声速滑翔飞行器三维轨迹跟踪存在的欠驱动问题,引入路径跟踪的思路将其转化为二维的跟踪控制问题;针对高超声速飞行器建模不确定性强的特点,使用具有较强鲁棒性的ADSC方法实现鲁棒的路径跟踪。能够证明所提出的方法可以以任意小的误差实现参考轨迹跟踪。仿真结果表明,该制导方法具有较高的跟踪精度并且具有较强的克服模型不确定性的能力。     

含LESO的高超声速飞行器动态面控制

针对含模型不确定性和外部扰动的高超声速飞行器(HFV)巡航飞行的控制问题,提出一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的动态面控制方法。首先,建立高超声速飞行器的纵向运动模型,并采用非线性动态逆(NDI)技术实现了飞行器速度和高度通道的解耦;其次结合传统反演设计方法,采用基于反双曲正弦函数的跟踪微分器(IHSTD)求取虚拟控制量的微分信号,避免了"微分爆炸"的问题;然后设计了LESO,能够实现对模型不确定项和外部扰动组成的"总和扰动"的精确估计,进而在控制器中动态补偿,大幅增强了系统的扰动抑制能力;最后,采用Lyapunov稳定性理论对所提出的控制方法进行了稳定性分析。本文所提出的控制方法保证了系统的渐近稳定性和较强的鲁棒性,仿真结果校验了本文所设计控制器的有效性。     

高超声速飞行器动态神经网络反推自适应控制

针对高超声速飞行器纵向模型的高度非线性特点,在考虑模型不确定性的情况下,提出了高超声速飞行器动态神经网络调节函数反推自适应控制方法.对给定的速度指令,引入积分型Lyapunov函数设计跟踪控制器,取消了控制增益一阶导数上界的限制,且避免了控制器的奇异性;对给定的高度指令,引入调节函数技术,设计了反推控制器,避免了将模型化为严反馈形式;采用动态神经网络对未知系统动态进行自适应在线逼近.根据Lyapunov理论证明了设计的控制律保证了闭环系统的稳定性与指令跟踪的精确性.仿真结果验证了该方法的可行性及有效性.     

高超声速飞行器耦合系统变结构控制设计

为了解决高超声速飞行器耦合系统控制问题,将上述耦合系统表示成具有非匹配不确定性的关联大系统形式。利用关联大系统的Lyapunov稳定理论及其Riccati方程设计滑动模态及变结构控制。采用Lyapunov方法证明设计的变结构控制使得滑动模态满足可达条件,且关联大系统全局结构渐近稳定。根据Frobenius\|Perron定理得出控制器参数选择算法。最后对于所设计的控制系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证。仿真结果表明该控制系统满足高超声速飞行器稳定飞行要求。
     

高超声速飞行器鲁棒自适应控制律设计

针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声速飞行器控制问题,提出了一种新的鲁棒自适应控制律设计方法。首先,结合高超声速飞行器数学模型,在引入参考模型的基础上,建立了一种具有非匹配特性的耦合控制模型。然后,基于该非线性模型,结合Riccati方程,通过动态调节参数的方法,得到了一种鲁棒自适应控制律。最后,对该控制算法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明：此算法在气动参数摄动与干扰同时存在的情形下,可以满足高超声速飞行器的稳定飞行要求。     

近空间高超声速飞行器输入饱和抑制模糊自适应控制

针对近空间高超声速飞行器三通道姿态跟踪控制问题，提出了一种基于输入饱和抑制的非线性模糊自适应滑模控制器。考虑到飞行器模型具有严格反馈形式的特点，以反步法为基础，结合非奇异快速Terminal滑模方法设计控制器。设计了模糊系统估计模型中的干扰项，并通过自适应鲁棒项补偿估计误差，引入非线性增益函数提高控制系统的饱和抑制能力，并基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性。最后，通过仿真对比实验验证方法的有效性。仿真结果表明，所设计的控制器能够保证飞行控制系统在存在模型参数不确定性的情况下具有良好的姿态跟踪性能和输入饱和抑制能力。     

高超声速飞行器的神经网络PID控制

高超声速飞行器是一种强耦合性、存在不确定性和高度非线性的复杂控制系统,在其应用神经网络PID控制方法进行纵向通道的姿态控制时,将控制系统分为快慢内外环,基于神经网络控制理论,针对高超声速飞行器的动力学模型和运动学模型设计单神经元PID控制律和PID神经网络控制律,推导了权值调整的学习算法。仿真结果表明,高超声速飞行器的神经网络PID控制系统能够有效抑制气动参数变化的影响,较好地跟踪期望攻角,有较强的鲁棒性。     

高超声速飞行器Terminal滑模控制系统设计

针对高超声速飞行器模型的强非线性、快时变、强耦合和强不确定性,提出了基于动态逆和Terminal滑模控制的制导/姿控一体化设计方法.该方法将动态逆控制的非线性解耦能力与Terminal滑模控制的强鲁棒性有机结合,实现了模型的反馈线性化和多通道解耦,保证高超声速飞行器在存在参数不确定性和外界干扰的条件下实现稳定飞行.仿真结果表明该控制方法对高超声速飞行器是可行的.     

基于μ综合的高超声速飞行器控制律设计

针对高超声速飞行器再入过程中飞行包线大,参数不确定性强等特点,设计一种利用不确定系统建模和μ综合控制的鲁棒姿态控制器。首先,考虑飞行器的参数不确定性,建立系统线性分式变换(LFT)模型。随后,考虑建模结构不确定性及测量噪声等的影响,建立用于μ综合控制的互联结构。最后,分别设计H∞控制器和μ综合控制器,结合频域μ分析方法对系统鲁棒性和动态性能作了对比分析,结果表明该方法可以很好地跟踪指令,具有较强的鲁棒稳定性。     

考虑推进和气动弹性影响的高超飞行器的建模与控制

针对高超声速飞行器飞行的速度和高度跨度大、变化快,飞行动力学特性复杂;模型具有非线性,强耦合及不确定性的特点,建立了考虑推进及弹性影响的纵向模型,并提出了纵向模型的鲁棒协调控制器设计方法。该方法在典型高超声速飞行器几何结构基础上,针对机体/发动机一体化设计布局,结合高超声速气动力学和气动弹性有关理论,建立非线性纵向模型;通过分析模型的不确定性来源,对刚体-弹性耦合系统设计了基于线性二次型调节器的隐式模型跟随鲁棒协调控制器,从而保证飞行器在不确定干扰情况下的闭环系统稳定性。仿真结果表明,本方法所设计的控制器在给定的不确定性范围内具有良好的鲁棒性。
     

高超声速飞行器建模与控制的一体化设计

针对高超声速飞行器纵向模型具有非线性、强耦合及不确定性等特点,提出 高超声速飞行器建模与控制一体化设计方法。该方法首先以具有典型结构的高超声速飞行器 几何外形为研究对象,结合高超声速空气动力学的有关理论,建立飞行器的非线性纵向模型 方程;然后在不同飞行条件下获取多个平衡点,分析飞行的气动特性,进而在每一个平衡点 上设计具有非线性解耦控制能力的控制器,并将得到的多平衡点控制参数结合起来,进行插 值计算,实现多平衡点的连续飞行;最后的仿真结果表明,本文提出的方法是切实可行的。
     

基于鲁棒动态逆的高超声速滑翔飞行器动态面姿态控制

针对高超声速滑翔飞行器参数变化快、不确定性高、通道耦合强的特点,研究了一种姿态控制的非线性设计方法。根据无动力飞行姿态运动模型,建立了可面向姿态控制的非线性设计模型。提出了一种具有鲁棒性能的动态逆控制方案,并通过动态面控制方法,将其应用于滑翔飞行器的姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的控制方案,所提出的方案可以保证滑翔飞行器快速、精确地跟踪指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。     

新型高超声速飞行器耦合姿态控制系统设计

针对具有强耦合和强不确定性特点的高超声速飞行器控制问题,提出一种考虑耦合特性的新型鲁棒姿态控制律。首先,建立高超声速飞行器的姿态动力学方程,并基于反步法思想转化为误差动态模型;然后结合干扰观测器提出基于耦合特性的飞行器鲁棒控制方法,并设计滑模补偿项保证姿态角渐近收敛到跟踪指令;最后基于绝对误差积分(IAE)指标从理论上证明本文方法相对于未考虑耦合特性的方法具有更好的动态性能。本文提出的控制方法不仅保证系统渐近稳定性和强鲁棒性,而且将耦合特性考虑进控制器设计中,进而提升了系统的动态性能。数值仿真考虑气动参数拉偏以及实际的执行机构幅值和速率限制,仿真结果校验了本文控制系统设计的有效性。     

基于观测器的高超声速飞行器模糊自适应控制

针对高超声速飞行器输出跟踪问题,提出了一种基于观测器的分层模糊自适应鲁棒控制器的设计方法。本文设计了一种基于分层模糊系统的间接自适应控制器,减少在线辨识参数的数量;同时设计非线性干扰观测器(NDO)对系统复合干扰进行估计补偿;最后引入鲁棒补偿控制项,克服传统非线性干扰观测器的限制条件,并利用Lyapunov理论证明了整个系统的稳定性。仿真结果表明,该方法不仅能够保证高超声速飞行器具有良好跟踪性能,而且具有很强的鲁棒性。     

考虑气动加热和变截面惯性矩的高超声速飞行器建模与分析

由于高超声速飞行器弹性机体/发动机的高度一体化设计,使得此类飞行器的动力学建模与控制较为复杂,而作为控制的基础以及面向控制的总体优化设计都需要建立高精度的动力学模型。首先,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的高超声速飞行器自由梁结构弹性模型,分析了气动加热和变截面惯性矩对飞行器振型的影响,得出了气动加热对振型影响非常小且振型引起的攻角变化很小,变截面惯性矩对飞行器的振型影响较大且振型引起的攻角变化较大的结论。然后,建立了考虑气动加热和变截面惯性矩影响的自由梁高超声速飞行器动力学模型,对考虑气动加热和忽略气动加热、恒截面惯性矩和变截面惯性矩对应的动力学模型进行了零极点分布对比分析,得出了气动加热对飞行器的纵向动态特性影响很小,变截面惯性矩自由梁对应的高超声速飞行器在特征点处开环不稳定性更大和非最小相位行为约束变弱的结论。     

面向控制的高超声速飞行器动力学特性分析

对于弹性机体/发动机一体化设计的高超声速飞行器,其高度复杂的动力学特性使得飞行控制研究具有挑战性。本文分析了高超声速飞行器独特的动力学特性,研究其对飞行控制系统设计的影响。基于模态分析结果,推导了关键动力学特性的解析描述,揭示出其潜在的物理机理,评估了其对控制系统稳定性和性能的影响。具体而言,研究了静不稳定性和非最小相位行为对控制带宽的约束,以及弹道/姿态大滞后特性。分析了控制/结构耦合对控制系统稳定性的影响,并给出传感器配置准则。