高超声速巡航飞行器姿态控制方法研究

论文摘要

本文以高超声速巡航飞行器为研究对象,针对其运动过程具有快时变、强耦合、非线性和不确定性的特点,开展了动态逆控制、滑模控制和预测控制等先进控制方法的应用研究,在考虑制导回路与姿控回路相互影响的条件下开展了制导控制系统的联合设计,并通过各飞行阶段的六自由度仿真验证了上述几种控制方法的适用性。基于动态逆控制方法有效解决了高超声速飞行器非线性与强耦合约束下的控制问题,实现了纵向运动模型和三通道姿态运动模型的线性化与解耦,得到了相应的线性化与解耦模型,为后续控制系统设计奠定了基础。仿真研究表明:动态逆控制方法具有良好的解耦性能。在动态逆控制的基础上,提出了两种新的滑模控制方法,分别为基于指令参数化的滑模控制方法和基于S型函数的准终端滑模控制方法,实现了解耦性与鲁棒性的有机结合。基于指令参数化的滑模控制方法将姿态角当前值引入到姿态角变化率期望值的计算式中,根据姿态角跟踪误差的大小主动调节姿态角变化率期望值的大小,有效提高了控制系统的动态响应能力。该方法不仅提高了已知信息的利用率,还增加了控制系统设计的自由度,其控制性能明显优于传统滑模控制方法。基于S型函数的准终端滑模控制方法在滑模面设计中选取S型非线性函数,利用其收敛特性可引导系统沿着S型曲线在指定时间内完成指令调整过程,不仅保证了终端收敛性,还提高了整个指令响应过程的性能。通过选取恰当的控制参数,使得滑模函数近似为零,则可基本消除滑模控制的到达运动阶段,使系统具有指令响应的全程鲁棒性。为了满足高超声速飞行器控制系统的快速性和鲁棒性要求,提出了一种分层预测控制方法。该方法通过引入中间控制量将高超声速飞行器姿态运动模型分为内、外两层,降低了单个系统的相对阶,提高了控制系统的响应速度;同时,内、外两层预测控制器均采用具有解析形式的非线性最优预测控制律,计算量小,可加快指令解算的速度,从而更好地适应高超声速飞行器控制系统的快速性要求。针对较强非线性、外界干扰及不确定性等因素的影响开展了反馈校正方法研究,增强了预测控制系统的鲁棒性,实现了高超声速飞行器不确定条件下的高精度姿态控制。为了提高制导控制系统的整体性能,在考虑制导回路与姿控回路相互影响的条件下,结合各自实际动态特性开展了制导控制系统的联合设计,给出了联合设计的常用准则。为了保证制导指令处于姿控回路的控制能力范围内,且为姿控回路留有足够的控制裕量和响应时间,提出对制导指令进行限幅和限速的处理方法。当姿控回路的动态响应能力较强时会引起舵偏角的大幅快速变化,进而引起气动力的大幅变化,严重时甚至引起制导指令的高频抖动,为了解决这一问题,提出采用适当降低姿控回路控制增益或在制导指令计算中忽略舵偏角的变化等方法降低姿控回路对制导回路的影响,从而提高制导控制系统的整体性能。研究表明,基于指令参数化的滑模控制方法、基于S型函数的滑模控制方法和分层预测控制方法均可实现对制导指令的高精度跟踪控制,对参数偏差和干扰具有较强的鲁棒性。上述几种控制方法有效解决了高超声速飞行器快时变、强耦合、非线性和不确定条件下的稳定控制问题,对高超声速飞行器是适用的,具有较好的应用前景。本文研究成果对高超声速飞行器姿态控制技术的发展具有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高超声速巡航飞行器发展概况
• 1.2 相关技术研究现状
• 1.2.1 高超声速飞行器动力学建模
• 1.2.2 动态逆控制方法
• 1.2.3 滑模变结构控制方法
• 1.2.4 预测控制方法
• 1.3 本文研究内容与组织结构
• 第二章 高超声速飞行器动力学模型
• 2.1 常用坐标系及其相互间的转换关系
• 2.1.1 常用坐标系
• 2.1.2 坐标系间的转换关系
• 2.2 高超声速飞行器纵向运动模型
• 2.2.1 高超声速飞行器纵向运动方程
• 2.2.2 纵向气动系数及参数偏差模型
• 2.3 高超声速飞行器六自由度运动模型
• 2.3.1 飞行器完整运动模型
• 2.3.2 面向控制的简化运动模型
• 2.3.3 气动系数与推力模型
• 2.3.4 参数偏差与风场模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 高超声速飞行器动态逆控制方法研究
• 3.1 MIMO系统的动态逆系统
• 3.1.1 逆系统
• 3.1.2 MIMO系统的可逆性
• 3.2 基于动态逆的高超声速飞行器运动模型线性化
• 3.2.1 纵向运动模型的输入输出线性化
• 3.2.2 三通道姿态运动模型的线性化
• 3.3 动态逆控制的解耦性能分析
• 3.3.1 纵向运动模型的解耦性能分析
• 3.3.2 三通道姿态运动模型的解耦性能分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 高超声速飞行器滑模变结构控制方法研究
• 4.1 基于趋近律的滑模控制方法
• 4.1.1 滑模控制的基本要素
• 4.1.2 常用趋近律
• 4.2 基于指令参数化的滑模变结构控制方法研究
• 4.2.1 基于指令参数化的滑模控制系统设计
• 4.2.2 滑模控制系统仿真分析
• 4.3 S型准终端滑模控制方法研究
• 4.3.1 基于S型函数的准终端滑模控制方法
• 4.3.2 纵向S型准终端滑模控制系统设计
• 4.3.3 纵向S型准终端滑模控制系统仿真分析
• 4.3.4 S型准终端滑模姿态控制系统设计
• 4.3.5 S型准终端滑模姿态控制系统仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 高超声速飞行器预测控制方法研究
• 5.1 具有解析形式的非线性最优预测控制方法
• 5.1.1 解析形式的非线性最优预测控制律
• 5.1.2 非线性预测控制律的反馈校正
• 5.1.3 非线性预测控制方法的稳定性证明
• 5.2 纵向预测控制方法研究
• 5.2.1 面向控制的纵向运动模型处理
• 5.2.2 纵向内回路非线性预测控制器设计
• 5.2.3 纵向外回路非线性预测控制器设计
• 5.2.4 纵向预测控制系统仿真分析
• 5.3 分层预测控制方法研究
• 5.3.1 面向控制的模型处理
• 5.3.2 内层非线性预测控制器设计
• 5.3.3 外层非线性预测控制器设计
• 5.3.4 分层预测控制系统仿真分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 高超声速飞行器制导控制联合设计
• 6.1 滑模制导律设计
• 6.1.1 质心运动模型简化
• 6.1.2 纵向滑模制导律设计
• 6.1.3 侧向滑模制导律设计
• 6.2 带终端落角约束的最优制导律设计
• 6.2.1 相对运动方程
• 6.2.2 纵向俯冲平面内最优制导律
• 6.2.3 侧向转弯平面内最优制导律
• 6.2.4 最优制导指令的计算
• 6.3 制导控制系统联合设计
• 6.3.1 姿控回路实际特性约束下的制导回路设计
• 6.3.2 制导回路实际特性约束下的姿控回路设计
• 6.4 制导控制系统六自由度仿真
• 6.4.1 爬升段制导控制系统仿真分析
• 6.4.2 巡航段制导控制系统仿真分析
• 6.4.3 俯冲段制导控制系统仿真分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.1.1 本文的主要工作
• 7.1.2 本文的主要创新点
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A 本文中涉及的相关参数
• 附录B 气动力与力矩系数详细表达式
• 附录C 纵向运动模型线性化过程中的向量与矩阵