超高空观测平台姿态控制设计与控制策略研究

论文摘要

超高空观测平台具有承载大载荷在近空间长时间定点悬停的能力,可用于对地观测、导航和制导,是目前世界各国的研究热点。该平台的顺利研制可促进我国超高空导航制导武器平台、观测预警武器平台、中继通讯平台、对地观测遥感及灾难预警平台的开发和实施,因此具有广阔的国防和民事应用前景。本文主要针对超高空观测平台定点悬停阶段的姿态控制规律与控制策略问题,进行如下内容的研究。首先,制定超高空观测平台的总体配置方案,进行平台的受力分析;根据动力学与运动学原理,给出平台的动力学方程和运动学方程,建立超高空观测平台的非线性六自由度数学模型;对非线性模型采用小扰动法线性化,得到纵向线性状态方程;接着,根据超高空观测平台纵向运动线性化模型,采用经典控制理论对舵面、推力单独作用时平台的俯仰姿态控制律进行设计;采用内模控制方法设计受扰状态下的姿态控制律;对俯仰姿态控制的动态性能进行分析,为后面综合能量优化指标函数的制定奠定基础;然后,针对超高空观测平台姿态控制中,如何采用气动舵与推力的控制策略问题,提出控制分配的方法,分析该方法的优越性;根据前文对动态性能的分析确定综合能量优化指标函数;采用线性规划的控制分配方法设计基于综合能量优化的超高空观测平台的姿态控制策略;最后,在Matlab环境下,对超高空观测平台的姿态控制分配策略以及不同控制方式的对比进行仿真研究,验证控制分配策略对减小系统综合能耗的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 超高空观测平台国内外研究现状
• 1.3 超高空观测平台姿态控制研究现状及存在的问题
• 1.3.1 超高空观测平台姿态控制研究现状
• 1.3.2 目前姿态控制方法存在的问题
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 超高空观测平台运动模型的建立
• 2.1 坐标系及相互转换
• 2.1.1 坐标系的定义
• 2.1.2 各坐标系之间的关系及其转换
• 2.1.3 运动参数
• 2.2 超高空观测平台配置方案的制定
• 2.3 超高空观测平台受力分析
• 2.3.1 流体惯性力及附加质量
• 2.3.2 空气动力与力矩
• 2.3.3 重力与浮力
• 2.3.4 推力
• 2.3.5 风对于超高空观测平台的影响
• 2.4 超高空观测平台空间运动模型的建立
• 2.4.1 超高空观测平台动力学方程的建立
• 2.4.2 超高空观测平台运动学方程的建立
• 2.4.3 超高空观测平台非线性模型的建立
• 2.4.4 超高空观测平台线性模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第3章 超高空观测平台纵向姿态控制律设计及分析
• 3.1 纵向姿态控制系统设计
• 3.1.1 纵向运动状态方程
• 3.1.2 舵面、推力矢量单独作用时纵向控制系统设计
• 3.2 扰动情况下的姿态控制系统设计
• 3.2.1 大气扰动模型
• 3.2.2 内模控制
• 3.2.3 扰动情况下纵向姿态控制律设计
• 3.3 平台姿态控制动态性能分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 姿态控制策略设计
• 4.1 控制分配问题描述
• 4.2 控制分配方法
• 4.2.1 非优化控制分配方法
• 4.2.2 优化控制分配方法
• 4.3 基于综合能量优化的超高空观测平台姿态控制策略设计
• 4.3.1 综合能量优化指标函数的确定
• 4.3.2 超高空观测平台姿态控制策略设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真及分析
• 5.1 仿真结构及方法
• 5.1.1 仿真系统结构
• 5.1.2 仿真研究内容
• 5.1.3 仿真方法和步骤
• 5.2 仿真结果及分析
• 5.2.1 采用姿态控制分配策略的仿真
• 5.2.2 采用不同控制方式的仿真比较
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢