近空间飞行器非线性飞控系统鲁棒自适应控制

摘要

近空间飞行器(Near Space Vehicle,NSV)集传统航空器与航天器的优点于一身,在军事和民用方面具备重大的战略价值,已成为各军事强国关注和研究的焦点。NSV飞行环境的特殊性使其具有复杂非线性、快时变、强耦合的对象特征,并且在飞行过程中呈现多飞行状态、多任务模式的特点,这使得NSV飞行控制系统的设计更加复杂。围绕这一基础科学问题,本文基于6自由度十二状态近空间飞行器数学模型,在不确定环境下飞行姿态、协调转弯和纵向飞行等方面开展了深入的研究,主要研究成果有:
　　首先,根据国外公开发表的文献资料、相关研究报告与实验室前期研究成果,建立6DOF十二状态NSV运动方程。为解决多变量、强耦合和复杂非线性的NSV姿态控制,研究了基于backstepping方法的一类多输入多输出非线性系统控制器设计方法,并以此设计了NSV姿态角控制器和角速度控制器,仿真结果说明所提方法有效性。
　　其次,围绕具有不确定和外部干扰的NSV姿态运动方程,提出了基于干扰估计的backstepping的控制方法。为补偿系统中的未知干扰,给出两种在线估计算法—自适应干扰估计算法和二阶滑模干扰观测器,并通过理论推导和仿真分析验证了所提出的控制策略能够有效地提高受扰NSV姿态控制系统的抗干扰能力。
　　随后,围绕具有全包线飞行特点的变后掠翼NSV,采用切换仿射非线性系统来描述其不同阶段姿态模型。当切换系统精确已知时,依据backstepping方法,研究一类切换非线性系统光滑控制器设计新方法,以保证模型切换瞬间控制量的光滑性。当切换系统存在未知干扰时,为准确地估计各模态的未知干扰,设计一组径向基神经网络干扰观测器,并采用鲁棒项使得干扰估计值以任意小的误差逼近干扰真值。在此基础上,给出不确定切换非线性系统的控制器结构,并采用多Lyapunov函数推导闭环切换非线性系统稳定条件。以此设计后掠翼不确定时NSV的姿态角控制器和角速度控制器,仿真结果说明所提方法对不确定和外部干扰表现出良好的鲁棒性。
　　然后,围绕NSV纵向姿态/轨迹飞行协调控制问题,提出基于快速收敛非线性微分器干扰补偿的纵向姿态/轨迹飞行协调控制方案。根据NSV纵向飞行特点,给出了NSV纵向姿态/轨迹协调控制模型。针对其中的非仿射非线性航迹模型,提出一种在线的非仿射非线性系统近似方法。为估计NSV纵向运动中的未知复合干扰,给出一种快速收敛的非线性微分器设计方法,并通过理论推导证明其微分估计误差可以收敛于任意小的有界集内。在此基础上,依据受限指令滤波backstepping方法和动态逆方法,设计受扰NSV姿态/轨迹鲁棒协调控制器,并通过理论推导和仿真分析说明所提出的控制策略能够实现姿态与轨迹之间的协调运动。
　　最后,围绕NSV协调转弯控制问题,提出基于二阶滑模干扰观测器干扰补偿的NSV协调转弯鲁棒控制策略。根据NSV转弯飞行特点,建立航迹与姿态角和角速度之间相互影响的NSV协调转弯控制模型。将动态逆方法、带有调节因子的滑模控制方法和二阶滑模干扰观测器相结合,给出重心轨迹协调转弯鲁棒控制器设计过程,其中利用带有调节因子的滑模控制方法以改善航迹倾斜角和航迹方位角的动态性能,进而协调纵向与横侧向运动。仿真结果表明该方法能够有效地完成受扰NSV协调转弯控制任务。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2面临问题与挑战

1.3现代非线性控制方法在飞行器上的应用

1.4不确定控制方法在飞行器上的应用

1.5本文研究内容和创新点

第二章 近空间飞行器运动模型及姿态backstepping控制

2.1引言

2.2近空间飞行器气动布局及结构参数

2.3近空间飞行器描述的准备工作

2.4六自由度十二状态近空间飞行器运动方程

2.5严格反馈型仿射非线性系统的backstepping控制设计与分析

2.6飞行姿态backstepping控制器设计与分析

2.7小结

第三章 飞行姿态鲁棒自适应backtepping控制

3.1引言

3.2受扰NSV姿态运动模型

3.3基于自适应干扰估计的飞行姿态鲁棒backstepping控制

3.4基于二阶滑模干扰观测器的飞行姿态鲁棒backstepping控制

3.5小结

第四章 变后掠翼飞行姿态鲁棒自适应backstepping协调控制

4.1引言

4.2 NSV姿态运动切换非线性模型

4.3一类切换非线性系统backstepping控制

4.4切换非线性系统backstepping方法在NSV飞行姿态控制中的应用

4.5小结

第五章 基于快速收敛微分器干扰补偿的NSV纵向姿态/轨迹协调控制设计

5.1引言

5.2纵向姿态/轨迹协调控制系统构成分析

5.3一种非仿射非线性系统动态近似方法

5.4快速收敛微分器设计及稳定性分析

5.5基于快速收敛微分器干扰估计和受限backstepping的NSV纵向姿态/轨迹协调控制器设计

5.6仿真分析

5.7小结

第六章 基于SOSMDO干扰补偿的NSV协调转弯鲁棒控制设计

6.1引言

6.2近空间飞行器协调转弯鲁棒控制系统构成分析

6.3协调转弯飞行控制器设计

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