考虑控制约束的大柔性飞行器姿态控制研究

摘要

近年来，高空长航时飞行器逐渐成为航空界的热点之一，大柔性飞行器作为一种具有大展弦比柔性结构的高空长航时飞行器，在军事和民用方面均有较好的发展前景。然而柔性结构使飞行器在常规飞行时也会产生较大幅度的变形，对飞行器的动态特性产生很大影响，给飞行器的建模和控制带来极大困难。本文以高空长航时飞行器为研究背景，大柔性飞行器为研究对象，对飞行器的动力学建模、运动特性、输入受限控制系统和控制优化等方面进行了研究。
　　首先，建立了大柔性飞行器的非线性气动弹性和飞行动力学耦合模型。对传统模型进行修正建立刚体机身模型，采用有限元思想和拉格朗日方程建立柔性机翼模型，结合气动力模型得到完整的飞行器模型，并引入一款具体的大柔性飞行器。
　　其次，根据模型特征根分布情况分析了大柔性飞行器的稳定性；并分析了飞行器在推力和舵面等输入操纵下的动态特性，以及受到阵风和大气紊流等外界扰动下的动态特性，研究了柔性模块引起的变形对稳定性的影响。
　　然后，针对输入受限的大柔性飞行器，设计姿态跟踪控制系统。采用平衡奇异值摄动法将高阶模型降阶，并比较降阶前后特性，保证降阶模型准确性。设计线性二次型调节器（LQR）作为基础控制器，考虑不确定性，设计飞行器的模型参考自适应控制器。针对输入受限问题，采用?修正方法对超过饱和界限的输入进行缩减，同时修正参考模型，利用李雅普诺夫稳定判据证明系统稳定性并进行仿真验证。
　　最后，对输入受限的大柔性飞行器控制系统进行优化。采用遗传算法寻优代替试凑法得到基础LQR控制器的权重矩阵，仿真结果表明，优化后收敛速度更快，控制效果更好；考虑到大柔性飞行器对扰动较为敏感，对自适应律进行投影运算，结果表明投影算法能有效保证系统鲁棒性。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景和意义

1.3 国内外研究和发展现状

1.4 本文研究内容及安排

第二章 大柔性飞行器结构与动力学建模

2.1 引言

2.2 大柔性飞行器动力学模型建立

2.3 准定常气动力模型

2.4 非线性气动弹性和飞行动力学耦合方程

2.5 具体研究对象——秃鹰大柔性飞行器

2.6本章小结

第三章 大柔性飞行器运动特性分析

3.1 引言

3.2 稳定性分析

3.3 大柔性飞行器主动操纵下动态响应分析

3.4 大气扰动下大柔性飞行器动态响应分析

3.5 本章小结

第四章 输入受限的大柔性飞行器姿态跟踪控制设计

4.1 引言

4.2 大柔性飞行器模型简化

4.3 大柔性飞行器的模型自适应控制器设计

4.4 输入受限的大柔性飞行器模型参考自适应控制器设计

4.5本章小结

第五章 大柔性飞行器控制器优化及鲁棒性设计

5.1 引言

5.2 基于遗传算法的LQR控制器优化设计

5.3 自适应控制器鲁棒性设计

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文研究内容总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

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