基于耦合分析方法的高超声速飞行器协调一体化控制

摘要

高超声速飞行器是在未来空天战场上克敌制胜的利器，研究和掌握其相关技术对于我国空天环境安全和国际空天军事力量平衡具有重大的战略意义。然而高超声速飞行器具有强非线性、强耦合、快时变、不确定四大特点，使得飞行控制成为其研制过程中的重点和难点问题。为了消除强耦合给系统带来的不利影响，提高飞行器的飞行品质，本文研究了高超声速飞行器的协调一体化控制问题。本文的主要研究内容如下：
　　首先，根据公开实验数据和前人研究成果，研究了高超声速飞行器的非线性动力学模型和气动模型。在已有模型的基础上，对高超声速飞行器各变量之间的耦合特性进行分析，主要分析了姿态与轨迹之间、姿态三个通道间、姿态与气动力之间、操纵舵面与轨迹之间、姿态与推进系统之间的耦合特性。
　　其次，针对高超声速飞行器的纵向通道设计了协调控制器。运用基于采样统计算法的耦合度分析方法对纵向状态变量和输入量之间的耦合度进行分析，将所得的耦合度矩阵与滑模控制方法结合，设计了纵向分层协调控制器。实现了高度与速度之间、姿态与推力之间、油门开度与气动舵面之间的协调控制。
　　然后，在纵向协调控制研究的基础上，设计了纵向鲁棒协调控制器，解决了强耦合、不确定和推力矢量三个问题。从模型角度分析了纵向系统中各个变量之间的耦合关系，将耦合度矩阵与Terminal滑模控制方法结合解决系统强耦合问题；运用非线性干扰观测器来逼近系统中的不确定；设计了加权能量最优性能指标来解决推力矢量舵面与气动舵面的协调配合问题。
　　接着，针对高超声速飞行器姿态系统设计了协调控制器。运用采样统计方法对系统中姿态角之间、姿态角速率之间、姿态角与姿态角速率之间以及姿态角速率与控制舵面之间的耦合度进行分析，再结合滑模控制方法分别设计了姿态角协调控制器和姿态角速率协调控制器。
　　最后，考虑到姿态系统的不确定问题以及推力矢量问题，在姿态协调控制的基础之上设计了姿态鲁棒协调控制器。分析了姿态模型中的变量耦合关系，结合耦合度矩阵和Terminal滑模控制方法解决姿态系统强耦合问题；分别对姿态角子系统和姿态角速率子系统设计了非线性干扰观测器，以逼近各自子系统中的不确定；对三个气动舵面和两个推力矢量舵面设计了能量最优性能指标以解决操纵舵面之间的协调问题。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

第二章 高超声速飞行器模型及耦合特性分析

2.1 引言

2.2 高超声速飞行器模型

2.3 高超声速飞行器耦合特性分析

2.4 小结

第三章 基于耦合分析的高超声速飞行器纵向协调控制

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 高超声速飞行器纵向耦合度分析

3.4 纵向协调飞行控制器设计

3.5 仿真分析

3.6 小结

第四章 高超声速飞行器纵向鲁棒协调控制

4.1 引言

4.2 纵向模型耦合关系分析

4.3 鲁棒协调控制器设计

4.4 稳定性证明

4.5 仿真分析

4.6 小结

第五章 基于耦合分析的高超声速飞行器姿态协调控制

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 高超声速飞行器姿态耦合度分析

5.4 姿态协调飞行控制器设计

5.5 仿真分析

5.6 小结

第六章 高超声速飞行器姿态鲁棒协调控制

6.1 引言

6.2 姿态模型耦合关系分析

6.3 基于非线性干扰观测器的姿态鲁棒协调控制

6.4 仿真分析

6.5 小结

第七章 总结与展望

7.1 本文所做工作的总结

7.2 未来研究方向的展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文