斜翼近空间飞行器的建模与飞行控制

摘要

近空间飞行器(NSV: Near-Space Vehicle)由于其显著的军/民两用价值得到了世界各国的关注，近年来更成为各国的研究重点。现有的NSV通常采用小展弦比、大后掠角的布局以获得高速飞行时的最优气动性能，但不能兼顾亚声速和跨声速时的气动性能。为了解决飞行器低速飞行和高速飞行时不同空气动力特性要求的问题，斜置机翼得到了大量的研究和关注。因此斜翼近空间飞行器(NSVOW:Near-Space Vehicle with Oblique Wing)的建模和飞行控制系统设计是一项创新而又富有挑战的课题。本文针对这一问题，对NSVOW进行建模与分析，并研究了具有不确定和输入回滞下的NSVOW姿态控制方法以及NSVOW控制分配技术。论文主要工作内容如下：
　　首先，建立了NSVOW非线性飞行运动数学模型。根据牛顿第二定律和惯性定律，结合NSVOW非对称布局和气动特性，推导了NSVOW六自由度十二状态方程，为NSVOW飞行控制问题的研究提供了较为完整的非线性模型。同时利用串联控制结构思想给出了 NSVOW控制系统的总体设计思路，并将姿态系统模型方程转化为仿射非线性方程形式。
　　然后，针对具有参数不确定和外界干扰的NSVOW系统，设计了NSVOW鲁棒姿态控制器。利用泛函连接网络(FLANN)计算量小的特性，研究了基于FLANN的干扰观测器(FLANDO)，对NSVOW所受到的复合干扰进行逼近，并将FLANDO与滑模控制律相结合，给出了基于泛函连接网络干扰观测器的滑模控制方法，推导了 FLANN权值自适应律，并利用Lyapunov稳定定理证明了闭环系统的稳定性。仿真结果表明，所设计的控制律能够较好地补偿复合干扰对系统的影响，实现姿态角的有效控制。
　　接着，研究了具有输入回滞的NSVOW姿态控制律设计问题。引入类反斜线回滞(Backlash-like Hysteresis)模型，将其分解为一线性部分和一上界已知的未知非线性部分，设计滑模控制律跟踪系统期望输出。同时将所设计的滑模控制律与FLANDO相结合，推导了能保证系统所有误差信号有界的权值自适应律，以消除回滞特性和复合干扰对NSVOW系统的影响。仿真结果表明该方法对具有回滞输入和复合干扰的NSVOW姿态系统控制效果良好。
　　最后，研究了NSVOW控制分配问题。将有效集方法(Active Set)引入控制分配方法的设计，给出了SLS(Sequential least squares)的控制分配算法。该算法性能函数的选择使得在进行控制力矩分配时能同时兼顾操纵面位置变化及其变化率，同时将该算法应用于NSVOW的力矩分配。NSVOW仿真结果表明该算法能够实现控制力矩的有效分配。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 先进飞行控制系统研究现状

1.3 近空间飞行器飞行控制技术国内外研究现状

1.4 斜翼飞行器飞行控制技术国内外研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第二章 斜翼近空间飞行器飞行运动建模

2.1 引言

2.2 近空间大气环境分析

2.3 斜翼近空间飞行器飞行模型的建立

2.4 斜翼近空间飞行器开环运动特性分析

2.5 小结

第三章 斜翼近空间飞行器控制系统总体设计

3.1 引言

3.2 斜翼近空间飞行器的控制系统层次

3.3 NSVOW仿射非线性模型

3.4 NSVOW控制系统实现方法思路

3.5 小结

第四章 基于泛函连接网络干扰观测器的NSVOW滑模姿态控制

4.1 引言

4.2 滑模控制方法

4.3 泛函连接网络干扰观测器(FLNDO)的设计

4.4 基于FLNDO的滑模控制律设计

4.5 基于FLNDO的NSVOW非线性姿态控制系统设计

4.6 NSVOW姿态仿真控制结果

4.7 小结

第五章 具有类反斜线回滞的NSVOW姿态控制

5.1 引言

5.2 具有类反斜线回滞系统滑模控制方法

5.3 基于FLNDO的类反斜线回滞NSVOW姿态控制器设计

5.4 具有类反斜线回滞的NSVOW姿态仿真结果

5.5 小结

第六章 NSVOW控制分配

6.1 引言

6.2 控制分配问题描述

6.3 基于有效集(Active Set)方法的控制分配算法

6.4 基于有效集方法的NSVOW控制分配

6.5 NSVOW控制分配仿真结果

6.6 NSVOW全状态仿真结果

6.7 小结

第七章 总结与展望

7.1 本文的主要工作

7.2 本文的不足及进一步展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录A 近空间大气环境描述

附录B 坐标转化矩阵

附录C QR分解