具有输入饱和的近空间飞行器鲁棒控制

摘要

近空间飞行器(near space vehicle,NSV)具有速度快(5马赫以上)、覆盖范围广(20km-100km)、适用性强等优点，成为许多国家重点发展的飞行器之一。NSV在多变的工作模式和环境中，往往会受到外部干扰及系统不确定的影响。此外，在NSV实际飞行中，舵面偏转角度、偏转速度和发动机推力等都会限制在一定范围内，传统的控制方法在设计过程中往往不会考虑执行器受限的问题。一旦NSV各舵面执行器达到限制边界，会影响甚至破坏控制系统的稳定性。因此，本文针对上述问题，研究不确定NSV的鲁棒受限控制方法。论文主要成果如下：
　　首先，在已有研究成果的基础上，给出了NSV的非线性动力学方程，并对姿态系统方程进行线性化，然后对执行器的典型受限非线性特性进行分析，将其与姿态模型相结合，得到完整的NSV姿态受限模型。针对姿态线性模型，设计了一种基于干扰观测器的复合非线性反馈(composite nonlinear feedback,CNF)控制方法。该方法将CNF控制技术与干扰观测器相结合，实现跟踪控制，并提高了系统的鲁棒性。为了克服CNF方法的局限性，设计了一种基于干扰观测器的抗饱和鲁棒(anti-windup)控制方法。由于系统故障更容易导致输入饱和的产生，进一步设计了一种基于故障观测器的抗饱和鲁棒容错控制方法，保证同时存在故障、输入饱和与外部干扰的不确定NSV稳定飞行控制。仿真结果验证了在所设计的控制器作用下，系统具有较强的鲁棒控制性能。
　　其次，针对NSV姿态非线性模型，研究了不确定NSV鲁棒非线性受限控制方法。在具有系统不确定、外部干扰与输入饱和的情况下，设计了一种基于非线性干扰观测器和辅助系统的不确定NSV姿态鲁棒受限控制方法。该方法通过构造辅助系统以消除或减小输入饱和对闭环系统控制性能的影响，并利用干扰观测器对外部干扰进行估计，借助backstepping方法进行鲁棒受限控制器设计。另外，考虑执行器故障问题，设计了鲁棒容错受限控制器。通过仿真分析，验证了所研究的控制算法能够使NSV系统具有良好的跟踪性能。
　　再次，针对NSV现有跟踪控制中只考虑稳态性能的问题，综合考虑闭环系统瞬态和稳态性能要求，引入预设性能方法，并结合辅助系统，将受约束的跟踪误差信号转化为不受约束的信号，进一步利用backstepping技术设计鲁棒受限预设性能控制器，实现存在输入饱和、死区和不确定情况下满足预设性能的NSV跟踪控制。仿真结果表明，研究的跟踪控制器能够保证闭环系统满足给定的瞬态和稳态性能要求。
　　接着，针对NSV输入输出受限控制问题，研究了一种基于干扰观测器的不确定NSV姿态输入输出受限控制方法。该方法将输出限制问题转化为跟踪误差受限问题，利用预设性能方法保证输出的有界性，并设计滑模观测器和辅助系统，保证输入输出受限情况下的闭环系统稳定性。仿真结果验证了所研究的NSV输入输出受限控制方法的有效性。
　　最后，对全文工作进行了总结和展望。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 先进飞行控制方法的研究现状

1.3 干扰观测器研究现状

1.4 受限控制方法研究现状

1.5 本文的主要研究工作

第二章 具有输入饱和的不确定NSV复合非线性控制

2.1 引言

2.2 NSV气动构型与数学模型

2.3 执行器非线性特性分析

2.4 基于干扰观测器的不确定NSV复合非线性控制

2.5 小结

第三章 基于干扰观测器的不确定NSV抗饱和鲁棒控制

3.1 引言

3.2 具有执行器饱和的不确定NSV姿态抗饱和鲁棒控制

3.3 具有执行器饱和及故障的不确定NSV姿态抗饱和鲁棒容错控制

3.4 小结

第四章 基于干扰观测器和辅助系统的不确定NSV姿态鲁棒受限控制

4.1 引言

4.2 具有执行器饱和的不确定NSV姿态鲁棒受限控制

4.3 基于super-twisting滑模干扰观测器的不确定NSV鲁棒受限容错控制

4.4 小结

第五章 具有输入非线性的不确定NSV预设性能姿态跟踪控制

5.1 引言

5.2 问题描述与说明

5.3 不确定NSV预设性能跟踪控制器设计

5.4 仿真分析

5.5 小结

第六章 具有输入输出限制的不确定NSV姿态鲁棒控制

6.1 引言

6.2 输入输出限制问题描述

6.3 不确定NSV姿态鲁棒输入输出受限控制

6.4 仿真分析

6.5 小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 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