基于多模型切換的近空間飛行器魯棒自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制.pdf

1、近空間飛行器(NSV: Near Space Vehicle)集傳統(tǒng)航空器與航天器的優(yōu)點(diǎn)于一身，在軍事和民用方面具備重大的戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，已成為各軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。近空間飛行器的飛行環(huán)境特殊、飛行包絡(luò)極大，并且在飛行過(guò)程中存在著多工作模式、多工作狀態(tài)等特點(diǎn)，使得飛行器系統(tǒng)呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的特性，因而飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)但又意義重大的研究課題。本文針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，分別在飛行運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模、不確定非線性魯棒自適應(yīng)飛行控制等方面開(kāi)

2、展了一系列研究工作。
　　首先，綜合現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料以及本課題組的前期研究成果，結(jié)合近空間飛行器的大飛行包絡(luò)、多飛行任務(wù)等特點(diǎn)，考慮具體的飛行環(huán)境，對(duì)帶翼錐形體且機(jī)翼后掠角可變的近空間飛行器進(jìn)行了系統(tǒng)的飛行力學(xué)以及動(dòng)力學(xué)分析，在地球坐標(biāo)軸系下建立了它的飛行運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并對(duì)受到干擾和不確定等影響的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)特性進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，論證了該系統(tǒng)能夠體現(xiàn)近空間飛行器的嚴(yán)重非線性、強(qiáng)烈狀態(tài)耦合、激烈快時(shí)變以及存在不確定等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足飛控系統(tǒng)

3、設(shè)計(jì)研究的需要。
　　而后，圍繞所建立的復(fù)雜非線性飛行運(yùn)動(dòng)方程，提出了一種基于模糊多模型的魯棒軟切換控制方法。首先根據(jù)機(jī)翼后掠角將近空間飛行器的工作區(qū)域劃分為多個(gè)模糊區(qū)域，然后利用廣義系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的局部魯棒控制器，減少了計(jì)算量和復(fù)雜度，最后對(duì)局部控制器進(jìn)行模糊加權(quán)從而實(shí)現(xiàn)了控制器的軟切換。通過(guò)變氣動(dòng)外形近空間飛行器的飛行運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證說(shuō)明了所設(shè)計(jì)方法的有效性。
　　接著，為了降低系統(tǒng)模型集的復(fù)雜度，考慮近空間飛行器氣動(dòng)參

4、數(shù)等未知以及受到外界干擾影響的條件下，提出了一種基于多非線性模型切換的魯棒自適應(yīng)控制策略。利用模糊系統(tǒng)來(lái)在線逼近系統(tǒng)中的未知函數(shù)，并設(shè)計(jì)魯棒控制器來(lái)對(duì)逼近誤差進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)公共Lyapunov函數(shù)方法證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了獲得更好的逼近效果，在模糊系統(tǒng)中增加了變論域的思想，相當(dāng)于在不改變系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下增加了模糊規(guī)則，顯著提高了模糊系統(tǒng)性能。仿真結(jié)果表明兩種方法都能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)近空間飛行器的魯棒自適應(yīng)控制。
　　然后，針

5、對(duì)近空間飛行器在飛行過(guò)程中存在的環(huán)境干擾以及系統(tǒng)本身的建模不確定，提出了一種基于模糊觀測(cè)器的多模型切換控制算法。充分利用系統(tǒng)的已知信息，構(gòu)造多模型模糊觀測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)包含復(fù)合干擾的未知函數(shù)的估計(jì)，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的魯棒控制器，利用公共Lyapunov函數(shù)方法推導(dǎo)出可以保證閉環(huán)系統(tǒng)所有信號(hào)最終一致有界的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整律。進(jìn)一步，為了避免模糊系統(tǒng)過(guò)度依賴(lài)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)并改善模糊系統(tǒng)的逼近性能，設(shè)計(jì)了一種全調(diào)節(jié)多模型模糊觀測(cè)器，模糊系統(tǒng)的中心、寬度和模糊

6、參數(shù)均可在線調(diào)節(jié)，并據(jù)此提出了基于全調(diào)節(jié)模糊觀測(cè)器的多模型切換控制方法。將上述兩種方法用于變機(jī)翼后掠角近空間飛行器的姿態(tài)跟蹤控制，取得了理想的控制效果。
　　最后，考慮近空間飛行器的實(shí)際飛行需要，設(shè)計(jì)了一種基于多模型切換的輸入輸出受限控制律。設(shè)定系統(tǒng)的跟蹤誤差運(yùn)動(dòng)范圍，構(gòu)造系統(tǒng)的輸出約束環(huán)節(jié)，然后將理想控制輸入經(jīng)過(guò)控制指令濾波器進(jìn)行濾波得到實(shí)際控制輸入，利用切換模糊系統(tǒng)對(duì)理想控制與實(shí)際控制之間的差值以及復(fù)合干擾進(jìn)行估計(jì)，并用以補(bǔ)償