高超声速飞行器姿态控制的鲁棒控制方法

论文摘要

高超声速飞行器采用一体化设计方法,存在机体与发动机间耦合、三通道间耦合,而且飞行高度、速度跨度大,变化快。针对飞行器的强耦合、快时变特性,本文首先分析风洞数据模型,然后基于特征结构配置参数化方法设计鲁棒控制器。主要包含以下内容:一、基于给定飞行器动态链接库,分析输入参数(运动参数)与输出参数(气动参数)之间的关系,以表格形式给出了分析结果,将输入输出用函数形式表示。结合飞行器数据模型,给出平衡点求取方法,将此平衡点为动力学方程线性化的特征点以及控制系统设计的特征点,采用小扰动线性化方法,基于系数冻结法,将飞行器的非线性动力学方程组在特征点处线性化。最后分析飞行器自由扰动运动,基于该数据模型的飞行器自由扰动运动不稳定。二、在特征点处建立高超声速飞行器姿态控制系统的数学模型。基于系数冻结假设,线性化飞行器所受气动力和推力,投影在弹体坐标系中,经简化后得到控制系统线性数学模型,而后基于数据模型分析结论将该模型分解为俯仰偏航模型以及滚转模型。然后设计了包括鲁棒性能指标、跟踪性能指标及干扰抑制指标在内的综合性能指标,并将之参数化。三、基于特征结构配置方法,设计飞行姿态控制器,包括状态反馈镇定控制器及前馈跟踪控制器,针对俯仰偏航通道作定点仿真,仿真结果显示设计控制器可保证系统有效跟踪期望信号。最后结合模型数据库,基于非线性运动模型进行弹道仿真,结果表明,所设计控制器能有效解决飞行器稳定巡航问题,在该控制器作用下,飞行器能够实现机动飞行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高超声速飞行器发展概况
• 1.2.2 高超声速飞行器控制方法研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 飞行器动态特性分析
• 2.1 坐标系定义及其变换
• 2.2 飞行器运动方程组
• 2.2.1 飞行器动力学方程组
• 2.2.2 飞行器运动学方程组
• 2.2.3 几何关系方程组
• 2.3 数据模型分析
• 2.4 飞行器小扰动线性化
• 2.4.1 飞行平衡点
• 2.4.2 飞行器运动方程小扰动线性化
• 2.5 飞行器自由扰动特性分析
• 2.5.1 气动参数求取
• 2.5.2 飞行器自由扰动纵向特性分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 飞行器姿态控制系统模型
• 3.1 引言
• 3.2 运动参量线性化
• 3.3 线性化模型建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 姿态控制系统控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 鲁棒控制器设计
• 4.3 数值仿真
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢