准连续高阶滑模在高超声速飞行器控制器设计中的应用

摘要

高超声速飞行器技术是航空和航天技术发展到一定阶段相结合的产物,是多学科,各种前沿技术的集合。高超声速飞行器控制技术是高超声速飞行器关键技术之一。高超声速飞行器模型具有高度非线性、强耦合性、不确定性等特点,是控制设计研究中的难点。
　　本文针对高超声速飞行器纵向非线性模型,采用精确线性化方法在给定的飞行平衡点对输入/输出关系进行精确线性化,在此线性化模型基础上,设计准连续高阶滑模控制器,仿真分析显示控制算法能很好的保证飞行的稳定性以及控制指令的跟踪。为了提供构造准连续高阶滑模控制器所需的高阶导数,设计了有限时间收敛精确鲁棒微分器,并通过仿真三阶和四阶微分器的动态性能,说明了微分器阶次及其收敛时间和精度之间的关系。最后,通过对参数不确定性的仿真分析,验证了准连续高阶滑模控制算法的鲁棒性能,并且在不确定性情况下,动态响应特性并未出现明显变化。为了验证准连续高阶滑模的性能,将准连续高阶滑模算法分别与传统滑模、最优控制、反步法等算法相互对比,结果显示了准连续高阶滑模的收敛时间明显快于其它算法,而在收敛精度上,准连续高阶滑模比其它算法要高一个量级。另外,仿真分析中也发现,在对平衡点线化的高超声速纵向模型的基础上设计的控制算法中,准连续高阶滑模算法能适用更加宽广的飞行速度和高度范围。因此,在设计全速域控制算法时,使用准连续高阶滑模控制算法将有助于减少控制器的数量。
　　综上所述,本文对准连续高阶滑模在平衡点线化高超声速纵向模型上的应用进行了较全面的分析,针对其构建方式、参数选择等设计过程进行了细致的讨论,对其响应时间、收敛精度等性能进行了详细的对比分析,得到了有意义的结果。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 高超声速飞行器研制现状

1.3 高超声速飞行器控制技术国内外研究现状

1.4 本文的主要工作

2 高超声速飞行器建模

2.1 高超声速飞行器构型

2.2 高超声速飞行器建模

2.3 本章小结

3 准连续高阶滑模控制理论与控制器设计

3.1 高超声速飞行器模型精确线性化

3.2 准连续高阶滑模控制理论

3.3 准连续高阶滑模控制器设计与仿真

3.4 准连续高阶滑模控制器鲁棒性能分析

3.5 本章小结

4 准连续高阶滑模控制器对比分析

4.1 与传统滑模控制器对比分析

4.2 与最优控制器对比分析

4.3 与反步法控制器对比分析

4.4 准连续高阶滑模控制器存在的问题分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文的主要工作

5.2 展望

致谢

参考文献

附 录Ⅰ 攻读学位期间发表的学术论文目录

附 录Ⅱ 精确线性化矩阵

附 录Ⅲ 其他状态变量响应图