近空間高超聲速飛行器的線性變參數(shù)跟蹤控制.pdf

1、近空間(NearSpace)是指距離地面20～100km的空域。近空間高超聲速飛行器(NearSpaceHypersonicVehicle，NSHV)是各國(guó)大力發(fā)展的新型航空航天飛行器。由于其重要的軍事和民用價(jià)值，美歐等世界大國(guó)都制定了各自的高超聲速飛行器研究計(jì)劃。然而我國(guó)在近空間高超聲速飛行器方面尚處于起步和預(yù)研階段。與傳統(tǒng)意義上的飛行器相比，近空間高超聲速飛行器具有強(qiáng)耦合、多工作模式和大范圍高速機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)使得飛行器的建模與控制系統(tǒng)的

2、設(shè)計(jì)成為極具挑戰(zhàn)性的課題。本文緊密圍繞這一科學(xué)前沿課題，對(duì)近空間高超聲速飛行器的建模和線性變參數(shù)(LPV)跟蹤控制進(jìn)行了較為深入的研究。主要內(nèi)容概括如下:
　　 (1)根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的研究成果，建立了一類具有三角形機(jī)翼、單垂直尾翼的有翼圓錐體近空間高超聲速飛行器的六自由度數(shù)學(xué)模型。這種翼身組合體的氣動(dòng)外形具有較高的升阻比和機(jī)動(dòng)性，可提高落點(diǎn)精度;為不失一般性，考慮在空氣稀薄再入階段特殊環(huán)境下的控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)型噴流反作用

3、控制系統(tǒng)，氣動(dòng)舵面與反作用控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)飛行器的控制;分析了該類近空間高超聲速飛行器的動(dòng)力學(xué)特性和開(kāi)環(huán)耦合特性，仿真驗(yàn)證表明本文建立的數(shù)學(xué)模型能夠體現(xiàn)出近空間高超聲速飛行器復(fù)雜的非線性、耦合性以及快時(shí)變性等特點(diǎn);為該類飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了較為完整的非線性模型，可以作為研究該類近空間高超聲速飛行器軌跡優(yōu)化、姿態(tài)控制等問(wèn)題的仿真平臺(tái)。
　　 (2)針對(duì)近空間高超聲速飛行器的縱向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和姿態(tài)系統(tǒng)，分別選擇能夠表征飛行器動(dòng)態(tài)特

4、征的飛行速度、高度和馬赫數(shù)、動(dòng)壓作為調(diào)度變量，利用Jacobian線性化和T-P模型轉(zhuǎn)化的方法，建立了高超聲速飛行器縱向運(yùn)動(dòng)的多胞LPV模型和姿態(tài)多胞LPV模型。為了驗(yàn)證建立的多胞LPV模型是否具有原始非線性模型的非線性特征，我們首先研究了縱向運(yùn)動(dòng)模型和姿態(tài)模型的開(kāi)環(huán)仿真驗(yàn)證;再次，在不考慮彈性模態(tài)影響的情況下，研究了剛體高超聲速飛行器縱向多胞LPV模型的單工作點(diǎn)多目標(biāo)最優(yōu)H2/LQR控制仿真驗(yàn)證。仿真驗(yàn)證結(jié)果表明本文建立的多胞LPV模

5、型捕獲了原始非線性模型的非線性特性且可以作為控制器的設(shè)計(jì)模型。
　　 (3)針對(duì)建立的高超聲速飛行器縱向運(yùn)動(dòng)多胞LPV模型，提出了一種多胞線性變參數(shù)跟蹤控制方法。該方法通過(guò)求解線性不等式(LMI)約束分別求解速度和高度跟蹤控制器，設(shè)計(jì)的控制器保證了高超聲速飛行器閉環(huán)系統(tǒng)的H2性能指標(biāo)。與傳統(tǒng)線性變參數(shù)控制方法相比，我們的方法大大地減少了求解線性矩陣不等式的個(gè)數(shù)，降低了控制器設(shè)計(jì)的難度。非線性數(shù)值仿真驗(yàn)證說(shuō)明了該方法的有效性。

6、r>　　 (4)分別基于單一Lyapunov函數(shù)方法和多Lyapunov函數(shù)方法，提出了近空間高超聲速飛行器的LPV切換跟蹤控制方法。首先，將高超聲速飛行器的飛行包線劃分為四個(gè)子區(qū)域，針對(duì)每個(gè)劃分的子參數(shù)區(qū)域，分別利用單一Lyapunov方法和多Lyapunov方法設(shè)計(jì)LPV狀態(tài)反饋跟蹤控制器;然后，根據(jù)調(diào)度參數(shù)的值定義一個(gè)切換特征函數(shù)并以此來(lái)切換設(shè)計(jì)的LPV控制器，從而實(shí)現(xiàn)飛行器在整個(gè)飛行包線內(nèi)的全局穩(wěn)定控制和滿足指定的速度和高度跟

7、蹤性能指標(biāo);最后，非線性數(shù)值仿真結(jié)果說(shuō)明了提出方法的有效性。
　　 (5)針對(duì)近空間高超聲速飛行器的縱向運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)，提出了一種基于觀測(cè)器的LPV輸出反饋跟蹤控制方法?？紤]到高超聲速飛行器的部分狀態(tài)不可測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)一種LPV狀態(tài)觀測(cè)器在線觀測(cè)飛行器的狀態(tài)變量，然后，利用在線觀測(cè)到的飛行器狀態(tài)信息，針對(duì)每個(gè)劃分的參數(shù)子區(qū)域分別設(shè)計(jì)基于觀測(cè)器的LPV輸出反饋跟蹤控制器并通過(guò)定義的切換特征函數(shù)進(jìn)行切換，通過(guò)求解一組LMIs得到控制器增益的