基于LPV模型的高超声速飞行器鲁棒预测控制方法研究

摘要

高超声速飞行器因其极快的速度、特殊的飞行高度，受到极大关注。高超声速飞行器的稳定控制算法设计是整体高超声速飞行项目中不可或缺的一环。针对高超声速飞行器飞行参考指令的大范围变化，外部干扰信号的影响和参数变化的影响，本文采用了基于线性参变(LPV)模型的鲁棒预测控制方法设计高超声速飞行器稳定控制系统。
　　为解决高超声速飞行器在外部干扰影响下的稳定控制的问题，建立了高超声速飞行器多胞 LPV模型并采用鲁棒预测控制方法设计控制器。使用张量积建模方法对高超声速飞行器雅可比线性化矩阵进行数据采样和高阶奇异值分解，求得了高超声速飞行器多胞 LPV模型。鲁棒预测控制器引入范数有界技术，将受扰动影响的高超声速飞行器预测状态限制在一个不变椭圆约束之内。不变椭圆约束被转化为等效的线性矩阵不等式(LMI)约束,并利用 LMI求解器离线进行优化求解。
　　针对 LMI离线计算不变椭圆导致高超声速飞行器控制系统最优性不足的问题，引入动态规划和变控制时域预测控制的方法。在距离高超声速飞行器多胞LPV系统稳定点较近的邻域内,由内向外逐步建立多个嵌套的不变椭圆。多个椭圆的建立使得预测控制的控制时域可变，相当于增加了离线 LMI优化计算的自由度。该方法既能使得系统有较大的收敛域面积，又改善了高超声速飞行器控制系统的最优性。
　　为了处理高超声速飞行器大范围的跟踪控制问题和参数变化问题，结合反馈线性化和最优化函数得到了大包线 LPV模型，并设计了输入状态稳定的预测控制器。高超声速飞行器原始非线性系统的变化参数被转化为大包线 LPV模型中的多个顶点和有界外部扰动。预测控制通过 LMI构建了二次型形式的局部输入状态稳定(ISS)李雅普诺夫函数与有界干扰的不等式关系，实现了大包线LPV系统的ISS稳定。在有界外部干扰的作用下，ISS稳定的大包线LPV系统状态是有界的。最终即实现了高超声速飞行器在参数变化条件下的大飞行包线的跟踪控制。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2高超声速飞行器控制方法研究现状

1.3预测控制的研究现状

1.4本章研究内容及结构

第二章 预备知识

2.1高超声速飞行器模型

2.2雅可比线性化方法

2.3张量积建模方法

2.4反馈线性化

2.5线性矩阵不等式

2.6本章小结

第三章 基于范数有界技术的高超声速飞行器鲁棒预测控制

3.1引言

3.2高超声速飞行器多胞LPV建模

3.3基于范数有界技术的高超声速飞行器鲁棒预测控制器设计

3.4仿真分析

3.5本章小结

第四章 基于控制时域可变的高超声速飞行器鲁棒预测控制

4.1引言

4.2基于控制时域可变的控制策略

4.3变控制时域的鲁棒预测控制器设计

4.4仿真分析

4.5本章小结

第五章 基于反馈线性化的高超声速飞行器ISS鲁棒预测控制

5.1引言

5.2参数不确定下的反馈线性化

5.3 ISS鲁棒预测控制器设计

5.4仿真验证

5.5本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢