考虑进气约束的高超声速飞行器预定性能控制

针对高超声速飞行器跟踪误差瞬态性能约束与发动机进气条件约束问题,提出约束预定性能控制方案。首先,设计新型设定时间性能函数用于限定跟踪误差的瞬态与稳态性能。相比传统方法,新型方案可保证性能函数在设定时刻精确收敛至稳态值,同时可灵活调整函数初始收敛速率,避免控制饱和。其次,将速度与高度受约束跟踪误差进行无约束转换,通过控制转化误差有界满足原始跟踪误差的预定性能约束。在高度子系统中,通过结合预定性能控制限定攻角变化范围,能够满足发动机进气需求。最后,以考虑参数摄动的吸气式高超声速飞行器为对象执行对比仿真,结果表明所提方法能够有效满足跟踪误差的性能约束与发动机进气约束。     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制

针对存在模型参数不确定和外部干扰的高超声速飞行器（HFV）跟踪控制问题,提出一种基于Backstepping方法的抗饱和非线性控制器。将飞行器纵向动力学模型分为速度子系统和航迹倾角子系统,然后针对每个子系统单独设计控制器。设计跟踪微分器获得信号的一阶导数,用以估计系统中的不确定干扰项和避免"微分项膨胀"问题。控制器设计过程考虑了控制量发生饱和的情况。基于Lyapunov理论证明了闭环系统信号的稳定性。与传统高超声速飞行器Backstepping方法相比,所设计的控制器采用待跟踪状态与理想控制指令之间的实际误差作为反馈量,放宽了对系统干扰项的限制,提高了控制器对控制增益变化的适应性,进而提高了闭环系统的跟踪控制性能。对比仿真结果验证了所设计方法的有效性。     

Non-fragile switching tracking control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle based on polytopic LPV model

This article proposes a linear parameter varying (LPV) switching tracking control scheme for a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV). First, a polytopic LPV model is constructed to represent the complex nonlinear longitudinal model of the FAHV by using Jacobian linearization and tensor-product (T-P) model transformation approach. Second, for less conservative controller design purpose, the flight envelope is divided into four sub-regions and a non-fragile LPV controller is designed for each parameter sub-region. These non-fragile LPV controllers are then switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a specified performance criterion. The desired non-fragile LPV switching controller is found by solving a convex constraint problem which can be efficiently solved using available linear matrix inequality (LMI) techniques, and robust stability analysis of the closed-loop FAHV system is verified based on multiple Lypapunov functions (MLFs). Finally, numerical simulations have demonstrated the effectiveness of the proposed approach.     

吸气式高超声速飞行器鲁棒非奇异Terminal滑模反步控制

针对含有参数摄动、外界干扰的吸气式高超声速飞行器弹性模型,设计了一种基于新型非线性干扰观测器的Terminal滑模反步控制器。将考虑弹性模态的飞行器纵向模型表示为严格反馈形式,在传统反步法的基础上采用非奇异快速Terminal滑模控制俯仰角与俯仰角速率,优化了反步法的控制结构,并实现了系统的有限时间收敛。基于跟踪微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,并与本文所提滑模反步方法相结合,通过对包括虚拟控制量微分信号在内的不确定性进行估计与补偿,进一步提高了控制器的鲁棒性,同时解决了"微分膨胀"问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的跟踪误差于有限时间收敛至零。仿真结果表明,该控制器在存在不确定性的情况下,可以实现对参考输入的稳定跟踪。     

Performance limitations in trajectory tracking control for air-breathing hypersonic vehicles

An integrated approach that considers the performance limitations of tracking control systems for air-breathing hypersonic vehicles is proposed. First, a set of ascent trajectories is obtained as candidates for tracking control through a trajectory design method that considers the available acceleration. Second, the basic theory of performance limitations, which is adopted to calculate the limits on control performance through the trajectory, is integrated. The open-loop dynamics of air-breathing hypersonic vehicles is responsible for these limits on the control system. Comprehensive specifications on stability, tracking accuracy, and robustness are derived, and the flight envelope with constraints and control specifications is identified. Simulation results suggest that trajectory design should consider restrictions on control performance to obtain reliable solutions.     

输入受限的高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对存在参数摄动的吸气式高超声速飞行器（AHV）弹性体模型,考虑执行机构幅值和速率受限问题,提出了一种基于辅助误差补偿策略的鲁棒反演控制方法。采用改进的辅助系统,保证了执行机构在幅值与速率同时达到饱和时闭环控制系统的稳定性和跟踪误差的有界性;采用有限时间收敛微分器（FD）,实现了对虚拟指令及其一阶导数的有效估计,并在此基础上,设计非线性干扰观测器（NDO）,对模型不确定项进行了平滑估计,进一步提高了控制精度。通过仿真,验证了所设计控制方法的有效性。     

高超声速飞行器底层性能评价指标的可行性分析

针对控制性能指标是否适用于高超声速飞行任务评价,研究了底层指标的可行性分析方法。首先分析了高超声速飞行器的模型特性,指出底层指标具备高超声速飞行器评价可行性的两点要求。根据上述要求将可行性分析转化为对于任务变量到底层评价指标的映射分析,并提出了一种基于统计实验分析的检验方法。结合高超声速飞行器模型特点,进一步设计了可行性分析流程。然后,分别以静态任务要求和速度、高度跟踪任务要求为例,对应提出频域性能指标和时域性能指标的可行性分析方法。最后针对频域性能指标评价静态任务的可行性设计仿真实验加以验证。仿真结果表明可行性分析的结论与军标观点一致,而且所提出的分析流程具有较好的可实现性。     

全状态受限的高超声速飞行器的预定性能滤波反步控制

针对气动参数不确定和状态受限的高超声速飞行器的稳定跟踪控制问题,提出基于固定时间干扰观测器的预定性能滤波反步控制策略。首先,在反步控制的每一步中引入障碍Lyapunov函数,保证系统状态满足预先设定的约束要求。其次,设计固定时间干扰观测器对综合不确定进行估计;同时,构造新型的一阶滤波器避免传统反步控制的计算爆炸问题。再次,基于Lyapunov稳定性理论证明输出跟踪误差有界且状态满足约束要求。最后,通过对比仿真验证控制策略的有效性。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

基于滑模干扰观测器的高超声速飞行器滑模控制

首先,针对存在外部干扰和输入饱和的通用式高超声速飞行器的纵向动态模型,提出一种基于滑模干扰观测器的抗饱和滑模控制器。该滑模控制器采用非线性趋近律,在保证系统快速、稳定跟踪指令的同时,能够消除传统滑模控制中的抖振现象,并针对执行器饱和问题,加入抗饱和补偿器,以提高系统的稳定性。其次,对于系统中存在的干扰和不确定性,提出一种滑模干扰观测器,用以准确估计系统中存在的等效干扰,并将该观测器对干扰的估计值应用于滑模控制器中进行补偿,以消除干扰。再次,利用Lyapunov理论对所提出的基于滑模干扰观测器的抗饱和滑模控制器进行稳定性分析。最后,对高超声速飞行器的巡航状态进行仿真。仿真结果表明,所提方法能够有效提高系统的稳定性和抗干扰性,具有一定的实际应用价值。     

Phase plane design based fast altitude tracking control for hypersonic flight vehicle with angle of attack constraint

In this paper, fast setpoint altitude tracking control for Hypersonic Flight Vehicle (HFV) satisfying Angle of Attack (AOA) constraint is studied with a two-loop structure controller, in the presence of parameter uncertainties and disturbances. For the outer loop, phase plane design is adopted for the simplified model under Bang-Bang controller to generate AOA command guaranteeing fast tracking performance. Modifications based on Feedback-Linearization (FL) technique are adopted to transform the phase trajectory into a sliding curve. Moreover, to resist mismatch between design model and actual model, Fast Exponential Reaching Law (FERL) is augmented with the baseline controller to maintain state on the sliding curve. The inner-loop controller is based on backstepping technique to track the AOA command generated by outer-loop controller. Barrier Lyapunov Function (BLF) design is employed to satisfy AOA requirement. Moreover, a novel auxiliary state is introduced to remove the restriction of BLF design on initial tracking errors. Dynamic Surface Control (DSC) is utilized to ease the computation burden. Rigorous stability proof is then given, and AOA is guaranteed to stay in predefined region theoretically. Simulations are conducted to verify the efficiency and superior performance of the proposed method.     

高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析与控制

针对滑翔式高超声速飞行器大攻角纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解并分析了多特征点单参数分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析。结合高超声速飞行器大包线飞行特性,求解并分析了双参数分岔,并计算了稳定分支曲面和不稳定分支曲面,从全包线范围揭示了高超声速飞行器大攻角失稳特性。为了实现高超声速飞行器的稳定控制,基于非线性动态逆和分阶思想,设计了非线性控制器,并计算了非线性开环闭环系统的全局特征根分布,结合所提出的一种基于连续算法的非线性闭环系统全局性能评估方法,评估并分析得出非线性控制器的有效性和较优的全局性能。最后,对闭环系统进行了时间历程仿真,进一步验证了非线性控制器的有效性。