舰载歼击机滑跃起飞过程鲁棒控制方法研究

摘要

航空母舰是以舰载机为主要作战武器并作为其海上起降平台的大型水面舰艇，是现代海洋战争中的主要作战力量，作为航母战斗群的核心武器，舰载机能否快速安全起飞直接关系到航母的作战性能。由于航母甲板相对陆基跑道大幅度缩短，加之航母的六自由度运动，使得舰载机起飞环境较陆基滑跑复杂得多。因此，对其在起飞阶段的鲁棒控制研究具有重要的理论意义与实用价值。
　　本文的模型分析是基于舰载机滑跃起飞方式，首先阐述了舰载机的滑跃起飞原理，并对起飞过程中舰载机的受力情况进行了详细分析，依据受力情况的不同，将起飞过程分为三个阶段，并分别建立其动力学模型。
　　针对具有高度非线性和强耦合的舰载机动力学模型，本文通过输入-输出线性化处理，将其转化成利于控制器设计的等效线性模型。通过动态逆运算，实现了系统的解耦控制。
　　对于舰载机滑跃起飞匹配不确定的控制问题，提出了基于变结构理论的终端滑模控制方法。该方法通过在滑动流形中引入非线性项，即保证了系统存在匹配不确定性的鲁棒性，又保证了系统在有限时间内实现跟踪。仿真结果表明，在整个起飞过程中，系统输出能够快速、准确跟踪指令信号，同时鲁棒性较强。
　　对于舰载机滑跃起飞不匹配不确定的控制问题，提出了反步滑模控制方法。考虑到变结构控制对不确定性的形式不作要求，而反步设计方法可以解决不匹配控制问题，本着取长补短的思想，本文借用反步法的递推设计思想，采用变结构控制处理不确定性，设计了反步滑模控制器。接下来，为了削弱变结构控制的颤振问题，在反步滑模控制的基础上，通过在Lyapunov函数引入不确定性的估计误差，设计了改进型的自适应反步滑模控制器。仿真结果表明，自适应反步滑模较反步滑模控制明显的削弱了系统的颤振现象，同时稳态误差较小，具有良好的鲁棒性。
　　最后是对全文进行总结及对下一步工作的展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 舰载机起飞技术国内外发展现状

1．2．1 弹射起飞

1．2．2 滑跃起飞

1．3 飞行控制律设计方法概述

1．4 变结构控制的基本理论及发展现状

1．4．1 变结构控制的基本理论

1．4．2 变结构控制理论的发展

1．4．3 不确定非线性系统变结构控制概况

1．5 本文主要内容

第2章 舰载机滑跃起飞过程模型分析

2．1 引言

2．2 模型的基本假设

2．3 坐标系定义及转换

2．3．1 坐标系的选取

2．3．2 常用角度定义

2．3．3 坐标系的转换

2．4 航空母舰斜甲板曲线

2．5 滑跃起飞动力学模型

2．5．1 三轮滑跑段

2．5．2 斜坡两轮滑跑段

2．5．3 主轮离地及爬升段

2．6 各个子模型

2．6．1 空气动力和力矩计算

2．6．2 发动机和推力模型

2．6．3 转动惯量模型

2．7 本章小结

第3章 匹配条件下舰载机滑跃起飞过程鲁棒控制器设计

3．1 引言

3．2 非线性系统的精确线性化方法

3．2．1 相关的数学工具

3．2．2 精确线性化方法

3．3 舰载机滑跃起飞模型输入-输出精确线性化

3．3．1 三轮滑跑阶段

3．3．2 斜坡两轮滑跑阶段

3．3．3 主轮离地及爬升段

3．4 匹配条件下舰载机滑跃起飞鲁棒控制器设计

3．4．1 舰载机滑跃起飞过程终端滑模控制器设计

3．4．2 仿真与分析

3．5 本章小结

第4章 不匹配条件下舰载机滑跃起飞过程鲁棒控制器设计

4．1 引言

4．2 舰载机滑跃起飞过程反步滑模控制器设计

4．3 舰载机滑跃起飞过程自适应反步滑模控制器设计

4．4 仿真与分析

4．6 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 工作展望

参考文献

致谢