近空间飞行器非线性飞控系统鲁棒滑模控制

论文摘要

由于日趋紧张的国际形势以及未来国防安全的需求，近年来近空间飞行器（near spacevehicle, NSV）成为了各主要军事强国竞相发展的目标。该飞行器的工作范围介于航空飞行器和航天飞行器之间，因此具有机动性好、易于更新和维护、效费比高且覆盖范围广等优点。然而，近空间飞行器的飞行空域、工作环境和任务模式都与传统飞行器有着显著的区别，且系统具有强烈非线性、快速时变性、强耦合和不确定性等特点。因此其飞行控制系统的设计一直是近空间飞行器基础科学问题研究的重要分支。本文围绕这一研究课题，提出了一种称为单向滑模的变结构控制方法，并利用该方法在近空间飞行器强鲁棒协调控制方面展开了相应的研究工作。首先，在课题组前期研究成果的基础上，对高超声速条件下近空间飞行器的气动构型进行分析，从而给出了飞行器6-自由度12-状态动力学方程以及飞控系统的总体结构。并根据现有文献资料，对近空间飞行器的工作环境、飞行任务、飞行力学以及动力学特性进行深入讨论，论证了飞控系统对于强鲁棒性、阻尼性能和协调控制这三个方面的性能要求。然后，围绕近空间飞行器的复杂非线性动力学方程，着重研究了上述性能要求下姿态运动控制系统的设计问题。针对近空间飞行器的强鲁棒性要求，首次提出了一种称为单向滑模的变结构控制方法。该方法通过对于传统滑模进行结构上的改进，并引入单向辅助滑模面和正不变集这两个概念，从而增强了滑模控制方法的鲁棒性能。其主要优点在于，可以不借助高阶滑模和边界层滑模的去抖振思想，而仅仅依靠不连续趋近律确保控制器输出的连续性，从而实现无抖振的滑模控制。与高阶滑模相比，该方法无需微分信息，因此在工程中更容易实现；而与边界层滑模相比，该方法利用不连续趋近律实现无抖振控制，因此保留了滑模控制方法中宝贵的不变性和抗干扰性能，开辟了一条去抖振的新思路。接着，考虑到近空间飞行器短周期运动经常处于临界阻尼状态的问题，提出了Terminal单向滑模控制方法。该方法在单向滑模控制理论的基础上，利用Terminal吸引子做了进一步的改进，使得新方法在保留强鲁棒优点的同时，兼具了Terminal滑模快速收敛的能力，从而加强了控制系统的阻尼性能。文中采用Lyapunov理论对该方法的闭环稳定性进行了分析，同时通过仿真实验验证了该方法良好的鲁棒性和阻尼性能。进一步，针对近空间飞行器中所呈现的协调控制问题，将纵向协调控制与协调转弯问题分别讨论。对于纵向协调控制问题，通过采用调节因子和滑模干扰观测器解决纵向姿态/轨迹运动中的耦合以及抗干扰问题。而对于协调转弯问题，则在纵向协调控制系统的基础上进一步改进，将速度航迹角回路系统方程视为非仿射非线性系统，并利用解析法、牛顿迭代法和单向滑模控制方法设计协调转弯鲁棒控制系统，从而使得NSV能够在保证安全飞行的前提下实现高度、速度、侧向位移的精确跟踪。文中通过Lyapunov方法对该协调控制系统进行了闭环稳定性分析，并通过仿真验证了它的控制效果。最后，对全文工作进行了总结和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表清单
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 NSV 所面临的问题和挑战
• 1.3 滑模变结构控制理论及其在航空航天领域内的应用
• 1.3.1 传统滑模控制理论
• 1.3.2 先进滑模控制理论研究进展
• 1.3.3 滑模控制理论在航空航天领域内的应用
• 1.4 本文的主要研究内容和创新点
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 本文的创新点
• 第二章 NSV 飞控系统设计与单向滑模控制理论
• 2.1 引言
• 2.2 NSV 总体概述
• 2.2.1 NSV 气动构型
• 2.2.2 NSV 数学模型
• 2.2.3 飞行控制系统总体结构
• 2.3 单向滑模控制方法
• 2.3.1 单向滑模控制方法设计原理与分析
• 2.3.2 设计步骤详述
• 2.3.3 稳定性证明
• 2.4 单向滑模去抖振分析
• 2.4.1 单向滑模去抖振条件
• 2.4.2 去抖振单向滑模控制的简化条件
• 2.4.3 简化的无抖振趋近律设计
• 2.5 小结
• 第三章 基于单向滑模的 NSV 姿态鲁棒控制
• 3.1 引言
• 3.2 NSV 姿态鲁棒控制系统构成分析
• 3.2.1 问题的提出
• 3.2.2 NSV 姿态运动模型
• 3.2.3 NSV 姿态运动鲁棒控制系统结构
• 3.3 单向滑模 NSV 姿态鲁棒控制
• 3.3.1 基于单向滑模的 NSV 姿态控制器设计
• 3.3.2 NSV 姿态控制器的无抖振趋近律
• 3.3.3 NSV 的姿态控制仿真结果及分析
• 3.4 小结
• 第四章 基于 Terminal 单向滑模的 NSV 姿态鲁棒控制
• 4.1 引言
• 4.2 Terminal 单向滑模控制方法
• 4.2.1 问题的提出
• 4.2.2 NSV 姿态鲁棒控制系统结构
• 4.3 Terminal 单向滑模 NSV 姿态鲁棒控制
• 4.3.1 Terminal 单向滑模控制方法理论与分析
• 4.3.2 基于 Terminal 单向滑模的 NSV 姿态控制器设计
• 4.3.3 Terminal 单向滑模方法稳定性证明
• 4.4 Terminal 单向滑模去抖振设计
• 4.4.1 Terminal 单向滑模的去抖振条件和简化条件
• 4.4.2 NSV 的姿态控制仿真结果及分析
• 4.5 小结
• 第五章 NSV 纵向姿态/轨迹鲁棒滑模协调飞行控制
• 5.1 引言
• 5.2 纵向姿态/轨迹协调控制系统构成分析
• 5.2.1 问题的提出
• 5.2.2 纵向姿态/轨迹协调控制系统模型
• 5.2.3 纵向姿态/轨迹协调控制系统结构框图
• 5.3 基于 SMDO 的纵向姿态/轨迹协调鲁棒控制
• 5.3.1 纵向姿态/轨迹协调控制设计
• 5.3.2 基于 SMDO 的姿态单向滑模协调控制
• 5.3.3 NSV 的纵向姿态/轨迹控制仿真
• 5.4 改进型纵向姿态/轨迹协调鲁棒控制
• 5.4.1 改进型纵向姿态/轨迹协调控制设计
• 5.4.2 NSV 的改进型纵向姿态/轨迹协调控制仿真
• 5.5 小结
• 第六章 基于单向滑模的 NSV 协调转弯鲁棒飞行控制
• 6.1 引言
• 6.2 协调转弯鲁棒控制系统构成分析
• 6.2.1 问题的提出
• 6.2.2 协调转弯控制系统模型
• 6.2.3 协调转弯控制系统结构框图
• 6.3 协调转弯鲁棒控制
• 6.3.1 协调转弯鲁棒控制设计
• 6.3.2 速度航迹角回路控制器稳定性分析
• 6.3.3 仿真分析
• 6.4 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录A 单向滑模去抖振条件的理论证明