考虑不完整数据传输的高超声速飞行器纵向动态预测控制研究

摘要

高超声速飞行器因其速度快成为了各国研究的热点，代表了航空航天领域的研究方向。但是，其特殊而复杂的飞行环境导致了飞行器气动特性和气热特性的快速变化，因此，飞行状态无法用统一的飞行包络线描述。而且，高超声速飞行器飞行时还要满足多项飞行硬约束条件。与此同时，由于实际系统中数据传输时不可避免地存在拥塞或数据碰撞、节点故障或连接中断等问题，使得飞行器系统中传感器–控制器以及控制器–执行器通道出现数据丢失现象，这将导致控制系统性能下降，严重可能出现系统失稳。因此设计一个保证其稳定飞行的控制器仍是高超声速飞行器控制系统设计中函待解决的问题。本文针对上述高超声速飞行器飞行时存在的问题，研究了预测控制算法在其纵向通道控制中的应用，设计了相关控制器并做了仿真。
　　首先介绍了高超声速飞行器的几何模型及其操纵特性，并对高超声速飞行器的六自由度非线性运动方程进行解耦获得纵向通道模型，还对高超声速飞行器进行零输入响应分析，为后续控制器设计及仿真做准备。
　　其次以高超声速飞行器纵向通道为研究对象，考虑飞行器控制系统中传感器–控制器以及控制器–执行器通道均存在着数据丢失。在高超声速飞行器纵向通道的平衡点处线性化模型基础上，建立有数据丢失的系统动态模型，使用终端状态约束集和终端代价函数方法设计预测控制器并设计相关补偿策略，以实现高超声速飞行器输入指令的跟踪。
　　最后，针对高超声速飞行器的巡航大包络飞行，考虑只有速度大范围变化的情况，通过对参考轨迹进行柔化以及对切换规则的改进，设计了考虑测量数据丢失的速度切换改进多模型预测控制器，实现了对大范围速度指令的跟踪控制，取得良好的控制效果保证了较高的飞行品质。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 高超声速飞行器控制方法国内外研究现状

1.3 考虑测量和控制量数据丢失的控制系统研究现状

1.4 多模型控制研究现状

1.5 本文主要内容

1.6 本文创新之处

第二章 高超声速飞行器纵向通道模型及其分析

2.1 引言

2.2 高超声速飞行器的基本结构与参数

2.3 高超声速飞行器建模过程

2.4 高超声速飞行器零输入响应分析

2.5 本章小结

第三章 高超声速飞行器考虑数据丢失的预测控制研究

3.1 引言

3.2 模型线性化处理及分析

3.3 考虑数据丢失的高超声速飞行器预测控制研究

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第四章 考虑测量数据丢失的高超声速飞行器多模预测控制

4.1 引言

4.2 多模型预测控制的基本原理

4.3 针对速度测量数据丢失的多模型预测控制

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢