基于滑模控制的高超声速飞行器控制方法研究

摘要

高超声速飞行器通常是指航行速度大于5倍音速的飞行器，具备航程大、机动性强的特点，具有很大的军事和经济价值，是当今世界各强国着重发展的新型飞行器。同时由于高超声速飞行器具有强非线性、不确定性、强耦合、快时变、受外界干扰的特性，使飞行器的控制系统设计成为其研究的热点，新的控制方法和控制手段急需引入到飞行器的控制系统设计中来。而近些年来，滑模控制算法因其对非线性系统特定干扰的免疫性这一优点受到广大学者们的青睐，如果将滑模控制算法应用到高超声速飞行器的控制方法研究中，一定会增强系统的稳定性，提高其控制精度。所以，本文主要围绕高超声速飞行器的强非线性、参数的不确定性、外界干扰的影响，设计了一种新型的非奇异终端滑模控制器，能够有效地抑制上述影响，实现快速跟踪指令信号，并且很好的克服了抖振现象；此外基于高超声速飞行器纵向输入/输出线性化模型，针对系统存在不确定性问题和执行机构带有死区非线性问题，设计了一种有干扰补偿的递阶滑模控制方法，实现了对速度和高度的稳定跟踪，保证了控制系统的快速性和鲁棒性。
　　本研究建立了其运动数学模型，给出空气动力和空气动力矩方程，并对系统开环特性进行了分析，得出系统状态之间存在较强耦合性，尤其滚转角速率和偏航角速率会对状态产生较大影响，然后给出了飞行器简化的仿射非线性模型。针对高超声速飞行器的非线性、参数的不确定性、外界干扰较大的影响，设计了一种新型的非奇异终端滑模控制器，得出其有限时间稳定并且有限时间收敛到平衡点，并能够有效地抑制上述影响，实现快速跟踪指令信号，而且很好的克服了抖振现象，并将此控制方法应用于高超声速飞行器的慢回路和快回路控制器的设计中来，并仿真验证。基于高超声速飞行器纵向输入/输出线性化模型，针对系统存在不确定性问题和执行机构带有死区非线性问题，采用递阶滑模控制方法和非线性扰动观测器来解决以上问题，设计了一种有干扰补偿的递阶滑模控制方法，实现了对速度和高度的稳定跟踪，保证了控制系统的快速性和鲁棒性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 高超声速飞行器研究概况

1.3高超声速飞行器控制方法研究现状

1.4 论文主要内容和章节安排

第2章 高超声速飞行器数学模型

2.1 气动外形和结构参数

2.2 高超声速飞行器数学模型

2.3开环特性分析

2.4 仿射非线性模型

2.5 本章小结

第3章 滑模控制算法

3.1 滑模控制算法的概念和性质

3.2 滑模控制系统的设计方法

3.3 滑模控制抖振现象分析

3.4 本章小结

第4章 高超声速飞行器非奇异终端滑模控制

4.1 有限时间控制分析

4.2 终端滑模控制算法

4.3新型非奇异终端滑模控制设计

4.4高超声速飞行器非奇异终端滑模设计

4.5仿真分析

4.6 本章小结

第5章 有干扰补偿的高超声速飞行器递阶滑模控制

5.1 高超声速飞行器纵向动力学模型

5.2 高超声速飞行器纵向模型的输入输出线性化

5.3 有干扰补偿的递阶滑模控制器设计

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果

致谢