近空间飞行器起飞段抗风及模态切换鲁棒控制器设计

摘要

近空间飞行器是指运行在近空间区域的飞行器，通常具有大飞行包络和高超声速飞行的能力，一般采用垂直发射或水平滑跑两种起飞方式，有些飞行器的机翼具有可伸缩的小翼结构，从而提高飞行器的适应能力。近空间飞行器具有强非线性、激烈快时变、强耦合以及严重不确定性的特点，而且还存在水平起飞受风扰动和小翼伸缩等模态变化等问题，因此对近空间飞行器水平起飞段抗风扰及模态切换控制的研究具有实际意义和挑战性。本文针对某近空间飞行器非线性模型建立、起飞段抗风扰鲁棒控制器设计及小翼伸缩模态切换鲁棒控制等问题进行研究，对某近空间飞行器控制系统进行了设计和分析。主要研究内容包括：
　　首先，参考国内外近空间飞行器的模型数据，根据飞行任务需求以及可变翼结构的特点，结合飞行环境复杂多变的特性和不同模态飞行任务的差异，建立了大气环境模型和不同飞行阶段的发动机推力模型，最终建立某近空间飞行器非线性模型。此外，还分析了该飞行器小翼伸缩前后气动参数差异，为飞行器控制系统的研究奠定基础。
　　其次，由于该近空间飞行器采用细长机体及部分翼身融合设计，在低速下升力系数较小，采用水平起飞方式易受到阵风扰动影响，考虑滑模控制方法在处理不确定性问题时的优点并且具有鲁棒性，针对反馈线性化后的等效模型设计滑模鲁棒控制器。首先从理论上证明滑模控制方法的稳定性，然后通过仿真验证所设计控制器对起飞段抗风扰鲁棒控制的有效性和鲁棒性。
　　然后，针对某近空间飞行器小翼伸缩模态切换过程中参数不确定以及控制器切换对飞行器带来的扰动，设计鲁棒切换控制器，实现不同模态控制器间的平滑切换。利用滑模控制的鲁棒性，模糊系统的万能逼近能力，提出基于快速双幂次趋近律的模糊滑模切换控制方法，通过仿真验证该方法在小翼伸缩模态控制器切换过程中具有良好的控制效果以及鲁棒性。
　　最后，分析小翼伸缩模态切换过程中，由于小翼状态变化引起气动参数的变化对飞行控制系统的影响。针对近空间飞行器小翼伸缩模态切换过程，训练神经网络对小翼伸缩过程中滑模趋近律参数进行自适应调节，设计小翼伸缩自适应滑模控制器，实现不同模态的平滑切换，通过仿真验证该方法具有良好的控制效果以及鲁棒性。
　　本论文的研究成果对某具有可变翼结构的近空间飞行器飞行控制系统特别是模态切换控制的设计提供了一种有效的设计思想和设计方法。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 近空间飞行器研究现状

1.3 近空间飞行器起飞方式研究现状

1.4 近空间飞行器控制系统及切换控制研究现状

1.5 本文主要内容和章节安排

第二章 近空间飞行器建模与分析

2.1 近空间飞行器构型描述

2.2 近空间飞行器模型建立

2.3 近空间飞行器小翼伸缩气动参数分析

2.4 本章小结

第三章 近空间飞行器起飞段抗风鲁棒控制器设计

3.1 近空间飞行器水平起飞段风扰问题分析

3.2 近空间飞行器起飞段风场模型建立

3.3 近空间飞行器水平起飞段滑模鲁棒控制器设计

3.4 控制系统仿真验证

3.5 本章小结

第四章 近空间飞行器小翼伸缩模态切换鲁棒控制器设计

4.1 近空间飞行器小翼伸缩模态切换对飞行控制系统影响

4.2 近空间飞行器小翼伸缩模态模糊滑模切换控制器设计

4.3 控制系统仿真验证

4.4 本章小结

第五章 近空间飞行器小翼伸缩模态切换自适应滑模控制器设计

5.1 近空间飞行器小翼伸缩模态切换自适应滑模控制研究

5.2 近空间飞行器小翼伸缩模态切换自适应滑模控制器设计

5.3 控制系统仿真验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续研究展望

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