临近空间高超声速飞行器鲁棒变增益控制

摘要

对于商业和军事领域内的低廉和省时飞行，以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器以其显著的军民两用应用价值，成为目前临近空间飞行技术的主要研究方向。作为航空与航天技术的综合产物，高超声速飞行器飞行环境复杂、飞行包线跨度大、动态特性易变、控制要求严格等特点对飞行控制系统设计提出了许多新的研究挑战。本文以我国未来临近空间高超声速远程机动飞行器的关键控制问题研究为核心，依次从模型建立、对象分析、控制方法、控制系统设计四方面逐步深入展开，研究了大跨度机动飞行控制、轨迹/姿态协调控制、伺服弹性稳定性、以及输入受限控制问题，给出了一套切实可行的多回路变增益控制系统设计与综合方法，实现了宽动压和宽马赫数条件下的稳定性与机动性协调飞行控制。
　　为刻画高超声速飞行器的主要动力学行为，揭示出其潜在的控制难题，采用一体化解析式建模方法，建立了作为自动控制对象的弹性高超声速飞行器数学模型。所获得的模型可以描述高超声速飞行器固有的学科间交叉耦合效应，为本文提供研究平台。
　　为深入理解高超声速飞行器的动力学行为和潜在的各种耦合效应，评估其对飞行控制系统的影响，从控制角度给出了对高超声速飞行器独特动力学特性的全面分析，并以此为基础，提炼并分析了几个关键的控制难题，作为本文的研究问题。所获得的分析结果有助于理解其复杂动力学行为的物理本质，使其控制问题具体化，用于指导后续控制方法研究和控制系统设计工作。
　　针对高超声速飞行器模型的非线性控制问题，输入受限问题和不确定性问题，将其归入对动态不确定性、时变参数和无记忆非线性具有结构摄动的线性变参数（Linear Parameter-Varying,LPV）系统鲁棒性框架内，给出了两种新的具有有界诱导L2范数性能的鲁棒变增益控制方法。所获得的控制方法用于处理高超声速飞行器的大跨度机动飞行控制问题、控制舵面饱和问题、建模不确定性和时变特性。
　　基于高超声速飞行器运动的多时间尺度特性，提出了一种由角速率回路、姿态回路和轨迹回路顺序反馈构成的多回路控制结构，将控制问题分解为不同频带上的三个低阶子问题处理，设计了以动压和马赫数为调度变量的变增益控制系统。作为比较，设计了基于反馈线性化方法的非线性控制系统。非线性仿真验证说明了所研究的多回路变增益控制适合解决高超声速飞行器的关键控制问题，是一套行之有效的飞行控制系统设计与综合方法。

目录

临近空间高超声速飞行器鲁棒变增益控制

Robust Gain-Scheduling Control of HypersonicVehicle in Near Space

摘 要

Abstract

目 录

Contents

主要符号表

第 1 章 绪论

1.1 研究背景和课题来源

1.2 高超声速飞行器概述

1.2.1 高超声速飞行器的发展历史

1.2.2 高超声速飞行器的飞行环境

1.2.3 高超声速飞行器的技术挑战

1.3 高超声速飞行器的控制难点

1.4 高超声速飞行器的控制研究现状及局限性

1.4.1 线性控制

1.4.2 非线性控制

1.4.3 智能控制

1.4.4 X-43A 控制

1.4.5 研究的局限性

1.5 研究内容和论文结构

第 2 章 高超声速飞行器一体化解析式模型

2.1 引言

2.2 空气动力学/推进系统模型

2.2.1 二维构型

2.2.2 前体下表面和机体上下表面分析

2.2.3 发动机分析

2.2.4 后体下表面分析

2.2.5 控制舵面分析

2.3 结构动力学模型

2.4 飞行动力学模型

2.5 本章小结

第 3 章 高超声速飞行器动力学特性和研究问题分析

3.1 引言

3.2 动力学特性分析

3.2.1 多时间尺度运动特性

3.2.2 动力学近似

3.2.3 机体/发动机耦合

3.2.4 弹道/姿态??解耦??

3.2.5 静不稳定性和非最小相位行为

3.2.6 控制/结构耦合

3.2.7 不确定性

3.3 研究问题分析

3.3.1 大跨度机动飞行控制问题

3.3.2 轨迹/姿态协调控制问题

3.3.3 伺服弹性稳定性问题

3.3.4 输入受限控制问题

3.3.5 鲁棒性问题

3.4 本章小结

第 4 章 输入受限不确定线性变参数系统的鲁棒变增益控制方法

4.1 引言

4.2 问题框架和理论基础

4.2.1 问题框架

4.2.2 线性变参数系统理论基础

4.2.3 数学工具

4.2.4 积分二次型约束

4.2.5 线性矩阵不等式和若干重要引理

4.3 输入受限不确定线性变参数系统的加权鲁棒变增益控制方法

4.3.1 问题描述

4.3.2 控制器综合

4.4 输入受限不确定线性变参数系统的固定阶鲁棒变增益控制方法

4.4.1 广义 KYP 引理

4.4.2 问题描述

4.4.3 控制器综合

4.5 控制器数值求解

4.5.1 数值问题

4.5.2 有限维数问题

4.6 应用实例

4.6.1 导弹模型和 LPV 模型

4.6.2 LPV 设计和仿真

4.7 本章小结

第 5 章 高超声速飞行器多回路变增益控制系统设计

5.1 引言

5.2 变增益控制概述

5.3 变增益控制系统设计

5.3.1 LPV 建模

5.3.2 控制要求和控制结构

5.3.3 角速率回路设计

5.3.4 姿态回路设计

5.3.5 轨迹回路设计

5.3.6 燃料消耗引起的参数摄动稳定性分析

5.4 比较目的?反馈线性化控制系统设计

5.5 非线性仿真验证

5.5.1 仿真说明

5.5.2 单工作点控制

5.5.3 变增益控制

5.5.4 反馈线性化控制

5.6 本章小结

结 论

参考文献

附录 A 模型参数

附录 B 稳定性偏导数和控制偏导数

附录 C LPV 模型参数表达式

附录 D 广义被控对象模型表达式

附录 E LPV 控制器数据

攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历