近空间可变翼飞行器多模态智能鲁棒控制研究

摘要

近空间可变翼飞行器（Near-space Morphing Vehicle,NMV）可在大气层和近空间中飞行，它可通过改变机翼外形从而改变飞行器的性能，以保证在其它气动舵面不动或少动的情况下完成相关飞行动作，因此，NMV不仅机动性更强，而且可节约大量能源，所以对NMV的研究是航空航天领域及控制领域一个研究的重点和热点。但由于NMV不仅具有近空间飞行器激烈快时变、严重非线性、强耦合和严重不确定的特点，而且还存在飞行模态和机翼外型变化时的模态切换问题，所以对NMV飞行控制系统的研究是控制领域一项富有挑战性的工作。本文将从NMV建模、模型参数不确定性分析及预测补偿、机翼不变时的非线性自适应飞行控制、多模态分析以及不同模态之间自适应切换控制等方面进行研究，具体如下：
　　首先，结合国内外对近空间飞行器的研究现状及实验室已有成果，考虑到NMV的特点，建立NMV的弹性动力学模型、运动学模型，结合大气环境模型及发动机推力模型，从而完整地建立NMV纵向非线性模型并对其开环特性进行分析。为了进行飞控系统设计，对所建立的NMV模型进行反馈线性化，从而得到反馈线性化后的等效模型。
　　其次，根据反馈线性化后的等效模型，对NMV的不确定性进行分析。考虑到灰色理论是一种研究少数据、贫信息不确定性问题的新方法，特别适合解决模型不确定性问题，故将灰色预测与滑模控制相结合，提出了灰色预测滑模控制，并用以设计NMV的鲁棒飞行控制器。本文利用李亚普诺夫稳定性理论证明了该系统的稳定性，并通过三组仿真实例验证了该方法的有效性。但该方法需要在离线的前提下进行设计，不适合在线使用，工程应用受限制。
　　由于灰色预测滑模控制不能实现自适应在线控制，考虑工程实际应用，所以加入自适应控制思想。针对NMV纵向控制模型参数不确定性问题，考虑到二型模糊逻辑系统是基于二型模糊集合建立的系统，能够增强传统一型模糊系统描述和处理不确定性的能力，将二型模糊逻辑系统、自适应控制以及滑模控制相结合，提出二型模糊自适应滑模控制，通过李亚普诺夫稳定性理论设计了NMV鲁棒自适应飞行控制器，并得到系统的自适应律，从而保证系统的稳定性和自适应性。另外，本文将所设计控制器控制基于输出的被控对象，分析并对比验证其控制效果，保证所设计控制器具有一定的工程实用性。
　　然后，由于NMV在近空间大包络飞行时，需要进行飞行模态的切换，同时根据飞行任务以及飞行模态的特点，需要通过伸缩小翼来调整飞行器的状态，所以需要对NMV的飞行模态进行划分，对各飞行模态中的特点和约束条件进行分析，研究不同飞行模态切换对飞行控制的影响。然后，对各飞行模态中小翼的状态和作用进行定性分析，并进一步定量研究小翼伸缩对飞行器气动特性的影响，以及对飞行控制的影响，为设计模态切换控制器奠定基础。
　　最后，研究不同飞行模态和小翼伸缩模态切换控制。由于切换控制信号是两个模态控制信号的线性组合，以及二型Takagi-Sugeno-Kang(TSK)模糊逻辑系统的规则后件是输入量的线性组合，且二型TSK模糊逻辑也具有二型模糊的优点和特点，将滑模控制与二型TSK模糊逻辑系统相结合，提出自适应模态切换控制，利用二型TSK模糊控制的输出信号估计理想的期望控制信号。然后，为了保持系统的稳定性，根据李亚普诺夫稳定性理论进行控制器设计，并得到系统的自适应律。
　　综上所述，本文将从NMV建模、模型参数不确定性分析及预测补偿、机翼不变时的非线性自适应飞行控制、多模态分析以及不同模态之间自适应切换控制等方面进行研究，从而确保NMV在小翼不变时不仅拥有稳定的飞行特性、良好的控制性能，而且对不确定性因素具有一定的鲁棒性能；在不同飞行模态以及小翼伸缩模态切换过程中不仅具有稳定的控制性能，而且使切换过程具有一定的平滑性。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 近空间飞行器国内外研究现状

1.3 近空间可变翼飞行器国内外研究现状

1.4 本文主要工作和创新点

第二章 近空间可变翼飞行器的数学模型建立与分析

2.1 引言

2.2 近空间可变翼飞行器模型建立

2.3 近空间可变翼飞行器纵向模型开环特性分析

2.4 近空间可变翼飞行器纵向模型反馈线性化

2.5 本章小结

第三章 基于灰色预测滑模控制的鲁棒控制器设计

3.1 引言

3.2 基于灰色预测滑模控制的NMV鲁棒控制器系统结构

3.3 基于灰色预测滑模控制的NMV鲁棒控制器设计

3.4 基于灰色预测滑模控制的鲁棒控制器稳定性分析

3.5 基于灰色预测滑模控制的鲁棒控制器仿真验证

3.6 本章小结

第四章 基于二型模糊自适应滑模的飞行控制器设计

4.1 引言

4.2 基于二型模糊自适应滑模的飞行控制器设计

4.3 稳定性分析及自适应律设计

4.4 基于二型模糊自适应滑模控制的飞行控制仿真验证

4.5 基于输出的二型模糊自适应滑模控制器仿真验证

4.6 本章小结

第五章 近空间可变翼飞行器多模态分析

5.1 引言

5.2 不同飞行模态下近空间可变翼飞行器飞行特性分析

5.3 小翼伸缩对近空间可变翼飞行器气动特性的影响

5.4 小翼伸缩对近空间可变翼飞行器飞行控制的影响

5.5 本章小结

第六章 近空间可变翼飞行器模态切换控制器设计

6.1 引言

6.2 近空间可变翼飞行器自适应模态切换控制整体方案

6.3 基于二型TSK模糊滑模控制的自适应模态切换控制

6.4 稳定性分析和自适应律设计

6.5 基于二型TSK模糊滑模控制的自适应切换控制仿真验证

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文主要贡献

7.2 未来工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文