高超声速飞行器气动参数辨识与LPV混合控制方法研究

摘要

高超声速飞行器拥有极快的飞行速度及极高的灵活性,具有很高的军事价值及商用价值,在近年来越来越受到科研工作者的关注。然而,高超声速飞行器模型复杂、受飞行环境影响大、非线性和耦合性强等特点导致气动参数变化剧烈,难以实现有效建模与控制。因此,针对在气动参数剧烈变化条件下高超声速飞行器的气动参数辨识及跟踪控制问题,本文进行了以下四方面的研究。
　　针对高超声速气动模型复杂,并且气动参数受环境影响大,具有很强的非线性及随机性,导致难以精确建模的问题,利用极大似然法结合内点法对气动参数进行了准确的离线估计。首先,引入未知参数的先验知识作为辨识问题的约束,将传统极大似然估计转化为带约束的优化问题,减少了传统极大似然法对初值的依赖性;其次,在引入内点法求解优化问题的过程中,对基于拉格朗日乘子法及松弛因子的算法进行了简化,降低了离线辨识算法的复杂度。
　　针对气动参数变化剧烈,而且在线估计中受采样数据量的限制,难以保证估计精度的问题,本文结合递推极大似然法,将离线辨识算法扩展到在线辨识中。利用未知参数的先验知识作为约束,将递推极大似然估计转化为约束优化问题,减少了递推极大似然法对初值的依赖性;在迭代求解的过程中,直接引入障碍函数项,避免了拉格朗日乘子结合松弛因子的算法在线求解参数估计问题时的复杂计算,实现气动参数的快速在线估计。
　　针对高超声速飞行器模型参数快速时变且受环境影响大,采用单一的控制器难以实现有效控制的问题,设计基于混合机制的纵向线性变参数(LPV)鲁棒控制器。首先,建立 LPV模型确定对飞行器模型影响较大的参数的变化范围;然后,利用混合控制机制设计了LPV混合鲁棒控制器,实现了巡航段的跟踪控制。
　　针对高超声速飞行器再入过程中飞行包线大导致气动参数变化范围巨大,简单的区域LPV控制器难以实现全飞行包线的有效控制的问题,设计了基于滞后切换策略的LPV混合鲁棒控制系统。首先,将整个飞行区域划分成若干飞行子区域,在每个飞行子区域中利用混合机制设计LPV混合鲁棒控制器。然后,选取高度和速度作为调度变量,利用滞后切换策略对建立好的LPV混合鲁棒控制器进行切换,得到全局LPV控制系统,实现了全飞行区域内的攻角跟踪控制。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2飞行器参数辨识的国内外研究现状

1.3高超声速飞行器控制方法的国内外研究现状

1.4本文研究内容及结构

第二章 预备知识

2.1高超声速飞行器模型

2.2极大似然法基本原理

2.3 Jacobian线性化方法

2.4本章小结

第三章 基于极大似然法的高超声速飞行器离线参数辨识

3.1引言

3.2基于内点法的极大似然法

3.3算法步骤

3.4仿真分析

3.5本章小结

第四章 基于递推极大似然法的高超声速飞行器快速在线参数辨识

4.1引言

4.2基于内点法的递推极大似然法

4.3算法步骤

4.4仿真分析

4.5本章小结

第五章 基于混合机制的高超声速飞行器纵向LPV鲁棒跟踪控制

5.1引言

5.2高超声速飞行器纵向LPV建模

5.3高超声速飞行器纵向LPV混合鲁棒控制器设计

5.4仿真分析

5.5本章小结

第六章 基于滞后切换的高超声速飞行器纵向LPV混合姿态控制

6.1引言

6.2面向姿态控制的高超声速飞行器LPV建模

6.3基于混合机制的区域LPV姿态控制器设计

6.4基于滞后切换策略的全局LPV姿态控制系统设计

6.5仿真分析

6.6本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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