高超聲速飛行器參數(shù)化建模及控制方法研究.pdf

1、吸氣式高超聲速飛行器(AHSV)是目前航空航天領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，與其他飛行器相比，AHSV飛行包線大，飛行環(huán)境復(fù)雜，不確定因素多，子系統(tǒng)之間存在顯著耦合，給飛行器設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)出基本構(gòu)型后再進(jìn)行控制相關(guān)分析和設(shè)計(jì)的過(guò)程難以滿足AHSV的設(shè)計(jì)需要，有必要在飛行器設(shè)計(jì)初期就引入導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制(GNC)學(xué)科，采用包括氣動(dòng)、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)和控制等多學(xué)科的一體化設(shè)計(jì)過(guò)程。在早期設(shè)計(jì)過(guò)程中，GNC學(xué)科需要建立控制關(guān)注的動(dòng)力學(xué)

2、模型、進(jìn)行早期的動(dòng)力學(xué)、控制相關(guān)分析和設(shè)計(jì)等，在這些分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要兼顧精度和效率，并開(kāi)發(fā)輔助進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的軟件工具。
　　為了在飛行器設(shè)計(jì)初期快速的分析飛行器主要的動(dòng)力學(xué)特征，采用參數(shù)化建模方法建立了飛行器的數(shù)學(xué)模型。將飛行器幾何設(shè)計(jì)空間用特征參數(shù)集來(lái)描述，通過(guò)修改這些特征參數(shù)的取值，可以分析不同外形飛行器的性能。建模過(guò)程中，結(jié)合類型函數(shù)/形狀函數(shù)變換法和二次曲線法對(duì)飛行器外形進(jìn)行參數(shù)化；用固定于質(zhì)心的雙懸臂梁建立了飛行

3、器彈性模型；氣動(dòng)力通過(guò)面元法估算得到，對(duì)每個(gè)面元采用無(wú)粘流工程估算理論計(jì)算，并進(jìn)行粘性修正；建立準(zhǔn)一維推進(jìn)系統(tǒng)模型估算推力，采用斜激波/膨脹波相交理論改進(jìn)了進(jìn)氣道模型，燃燒室建模中考慮了模態(tài)轉(zhuǎn)換，使其適用于雙模燃燒室；最終根據(jù)拉格朗日方程推導(dǎo)出飛行器縱向運(yùn)動(dòng)方程。所建立的模型能夠體現(xiàn)飛行器子系統(tǒng)之間的耦合特征。
　　為深入理解AHSV的各種動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)建立的飛行器模型進(jìn)行詳細(xì)的分析。這其中包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作模態(tài)分析和非設(shè)計(jì)點(diǎn)推力特性

4、分析、飛行包線內(nèi)動(dòng)靜態(tài)特征分析、氣動(dòng)/推進(jìn)/結(jié)構(gòu)/控制系統(tǒng)耦合分析、建模中未考慮的地球曲率影響分析?；谶@些分析，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，從復(fù)雜的剛體-彈性模態(tài)直接耦合的非線性動(dòng)力學(xué)模型中提取用于控制器設(shè)計(jì)的模型。根據(jù)文中建立的氣動(dòng)、推進(jìn)和彈性模型，生成氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，基于此獲取氣動(dòng)系數(shù)的代理模型，并以歸一化速度和高度為調(diào)度變量，通過(guò)雅克比性化方法，建立了飛行器的線性變參數(shù)（LPV）模型，作為控制器設(shè)計(jì)模型。
　　針對(duì)AHSV大包線飛行

5、控制問(wèn)題，引入保護(hù)映射理論。應(yīng)用保護(hù)映射理論提出一種內(nèi)外環(huán)變?cè)鲆婵刂破鲄?shù)自動(dòng)確定方法，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)了AHSV迎角控制器。該方法只需要指定初始設(shè)計(jì)點(diǎn)和初始控制器參數(shù)，應(yīng)用保護(hù)映射理論分析該控制器參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定的飛行包線，然后在穩(wěn)定的包線邊界處以上一步的控制器參數(shù)為初值搜索新控制器參數(shù)，通過(guò)這兩個(gè)過(guò)程之間相互迭代，可以得到一個(gè)控制器序列及對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定范圍序列，最后采用曲線擬合得到控制器參數(shù)的解析式。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器能夠保證整個(gè)

6、飛行包線內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且在各個(gè)速度和高度下迎角階躍響應(yīng)具有比較好的一致性。這樣的控制器設(shè)計(jì)方法可以避免傳統(tǒng)多個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)分別設(shè)計(jì)的繁瑣，并保證大包線范圍內(nèi)系統(tǒng)的區(qū)域穩(wěn)定性。
　　針對(duì)AHSV速度和高度跟蹤控制問(wèn)題，結(jié)合保護(hù)映射理論和H∞理論，提出一種AHSV切換H∞控制器設(shè)計(jì)方法，將大包線飛行器模型分成若干個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)采用H∞方法確定控制器參數(shù)。保護(hù)映射理論用以計(jì)算控制器參數(shù)適用的最大飛行包線范圍，即劃分子系統(tǒng)。通過(guò)重復(fù)“

7、計(jì)算控制器參數(shù)-劃分子系統(tǒng)”這個(gè)過(guò)程，得到整個(gè)包線內(nèi)的控制器參數(shù)，最終的控制律根據(jù)調(diào)度變量在這些參數(shù)之間切換，為使得控制量平滑變化，在兩個(gè)子系統(tǒng)重疊區(qū)域平滑切換。仿真結(jié)果表明，該方法所設(shè)計(jì)的控制器能夠保證系統(tǒng)的區(qū)域穩(wěn)定性，對(duì)指令信號(hào)具有良好的跟蹤響應(yīng)，并且具有較強(qiáng)的魯棒性。
　　為輔助進(jìn)行飛行器設(shè)計(jì)初期的參數(shù)化建模、動(dòng)力學(xué)和控制相關(guān)分析和設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)工具軟件，并應(yīng)用該軟件進(jìn)行了參數(shù)化分析，以此說(shuō)明該軟件在飛行器設(shè)計(jì)早期的應(yīng)用。