高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與仿真研究.pdf

1、高超聲速飛行器已經(jīng)成為世界航空航天領(lǐng)域一個(gè)極其重要的發(fā)展方向,其中高超聲速飛行器的控制技術(shù)是高超聲速飛行器研究的重點(diǎn)及難點(diǎn),也是世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。與常規(guī)飛行器相比,高超聲速飛行器采用的是機(jī)身/發(fā)動(dòng)機(jī)一體化技術(shù),從而使得高超聲速飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)之間存在強(qiáng)耦合,其模型呈現(xiàn)出高度的非線性特征,并且模型還存在有大量的不確定氣動(dòng)參數(shù)。此外,高超聲速飛行器在大馬赫數(shù)和高海拔的條件下飛行,外界擾動(dòng)和未知因素的擾動(dòng)十分顯著,從而影響了飛行的

2、穩(wěn)定性。這些因素給高超聲速飛行器模型的確定和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。本文以國(guó)外已公開的通用高超聲速飛行器縱向模型為研究對(duì)象,進(jìn)行相關(guān)的控制方法研究。
　　為了掌握高超聲速飛行器復(fù)雜的氣動(dòng)特性,首先進(jìn)行了高超聲速飛行器全狀態(tài)非線性六自由度建模,建立了研究對(duì)象的被控?cái)?shù)學(xué)模型,并分析了發(fā)動(dòng)機(jī)模型。
　　然后結(jié)合某一高超聲速飛行器(Wmged-cone)的外形設(shè)計(jì),采用數(shù)值模擬的方法,計(jì)算出高超聲速飛行器在不同飛行條件下

3、的氣動(dòng)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,研究了高超聲速飛行器的氣動(dòng)特性。并對(duì)高超聲速飛行器全狀態(tài)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行解耦分析,得到了高超聲速飛行器縱向運(yùn)動(dòng)方程,對(duì)其進(jìn)行特征值分析和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析,從而更加深入的了解了高超聲速飛行器不同于常規(guī)飛行器的氣動(dòng)特性和飛行特點(diǎn),也為接下來(lái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了適當(dāng)?shù)目刂破脚_(tái)。
　　針對(duì)高超聲速飛行器強(qiáng)耦合非線性的縱向模型,采用反饋線性化方法將高超聲速飛行器縱向模型進(jìn)行輸入/輸出精確線性化,然后以此為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出以二次型

4、最優(yōu)控制器作為輔助控制器的動(dòng)態(tài)逆控制系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅能夠解除高超聲速飛行器縱向模型輸入/輸出之間的強(qiáng)耦合,還可以保證高超聲速飛行器對(duì)指令信號(hào)跟蹤的精確性和飛行過(guò)程的穩(wěn)定性。并結(jié)合Matlab的仿真工具Simulink,對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了高超聲速飛行器動(dòng)態(tài)逆控制系統(tǒng)良好的控制性能。
　　關(guān)于高超聲速飛行器不確定性因素的影響,且不確定性與控制輸入處在同一通道內(nèi),采用滑?？刂萍夹g(shù)來(lái)設(shè)計(jì)高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng),解決了高

5、超聲速飛行器在實(shí)際飛行過(guò)程中,因模型的不確定性因素所產(chǎn)生的控制問(wèn)題,提高了控制系統(tǒng)的魯棒性能;并且設(shè)計(jì)出了一個(gè)非線性滑模觀測(cè)器來(lái)估計(jì)攻角及航跡傾角等難以測(cè)量的狀態(tài),從而滿足了所設(shè)計(jì)的滑?？刂葡到y(tǒng)需全狀態(tài)反饋的要求,仿真驗(yàn)證了高超聲速飛行器滑模觀測(cè)器的魯棒性。
　　對(duì)于高超聲速飛行器不確定因素不能直接被控制作用所抵消的控制問(wèn)題,即不確定因素與控制輸入不處在同一通道內(nèi),采用動(dòng)態(tài)面控制方法來(lái)設(shè)計(jì)高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以