高超声速飞行器自抗扰姿态控制研究

论文摘要

高超声速飞行器是近年来各个航天大国的研究重点,但因其飞行速度高造成了气动环境复杂,模型不确定性加大,使得制导控制系统的设计难度加大。传统的飞行器控制系统设计方法对于高超声速飞行器已不再适用,必须发展非线性控制方法。本文参考国内外相关文献,利用NASA兰利研究中心的高超声速飞行器建立了高超声速飞行器无动力再入模型,并给出了气动力和气动力矩模型,在基本参数确定之后分析了其开环耦合特性,得出了高超声速飞行器三个通道之间耦合严重,不能够对三个通道单独设计控制器的结论。在分析多种非线性控制方法之后,确定了采用自抗扰控制技术设计姿态控制器。首先,基于时标分离理论将高超声速声速飞行器模型分解为内外环,以便于控制器设计。利用非线性动态逆设计简单的优点,通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器改善其鲁棒性,设计了基于动态逆的自抗扰PID控制器,并进行了仿真分析,通过仿真可以看出设计的控制器存在一定的缺点。因此,结合自抗扰控制技术,采用扩张状态观测器和非线性误差反馈率设计了双闭环自抗扰控制器,仿真结果表明,设计的控制器具有较强的鲁棒性和良好的动态特性。

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 高超声速飞行器研究发展概况
• 1.2.1 美国高超声速飞行器发展概况
• 1.2.2 俄罗斯高超声速飞行器发展概况
• 1.2.3 法国高超声速飞行器发展概况
• 1.2.4 日本高超声速飞行器发展概况
• 1.2.5 小结
• 1.3 高超声速飞行器姿态控制研究方法发展现状
• 1.3.1 现代飞行控制方法的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 高超声速飞行器的再入数学模型及分析
• 2.1 引言
• 2.2 高超声速飞行器的几何模型及控制方式
• 2.3 高超声速飞行器非线性再入数学模型
• 2.3.1 模型假设
• 2.3.2 高超声速飞行器数学模型
• 2.3.3 空气动力和空气动力矩数学模型
• 2.4 高超声速飞行器的开环特性分析
• 2.4.1 高超声速飞行器的零输入响应特性分析
• 2.4.2 高超声速飞行器的开环耦合特性分析
• 2.5 适于控制器设计的高超声速飞行器模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于动态逆的高超声速自抗扰PID控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 动态逆理论初步
• 3.3 跟踪微分器理论初步
• 3.4 基于动态逆的高超声速飞行器自抗扰PID控制器设计
• 3.4.1 内环姿态角速度环控制器设计
• 3.4.2 外环姿态角环控制器设计
• 3.4.3 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 扩张状态观测器理论初步
• 4.3 非线性误差反馈率
• 4.4 高超声速飞行器自抗扰姿态控制器设计
• 4.4.1 双闭环高超声速飞行器自抗扰姿态控制器
• 4.4.2 内环姿态角速度自抗扰姿态控制器设计
• 4.4.3 外环姿态角自抗扰姿态控制器设计
• 4.4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢