空天飛行器不確定非線性魯棒自適應控制.pdf

1、空天飛行器(ASV)是各國正在大力發(fā)展的新型航空航天飛行器，它們在運行中表現出的多任務、多工作模式、大范圍高速機動等特點使得控制系統(tǒng)設計成為一項極具挑戰(zhàn)的研究課題。圍繞這一基礎科學問題，本文在空天飛行器建模與分析、不確定非線性系統(tǒng)控制和自主控制系統(tǒng)設計三個方面開展了較為深入的研究。 首先，根據國內外公開發(fā)表的文獻資料建立起ASV超聲速和高超聲速飛行條件下6 自由度數學模型。該模型包含完整的動力學方程和運動學方程，其中氣動力系數和

2、力矩系數是迎角，馬赫數及氣動舵面偏角的函數，發(fā)動機模型為吸氣發(fā)動機和變推力火箭發(fā)動機的組合推進裝置，飛行器的質心、慣性矩是飛行器質量的時變函數。開環(huán)分析表明整個模型能夠體現出ASV 復雜的非線性、耦合性以及快速時變性等特點，具有一定的代表性，可以滿足未來ASV 先進制導和控制等問題的理論研究和仿真驗證需要。 其次，基于此平臺研究了ASV 的飛行控制系統(tǒng)設計問題。軌跡線性化控制(TLC)是一種新穎有效的非線性跟蹤和解耦控制方法，文

3、中首先對它的設計思想和理論基礎進行回顧。然后根據奇異攝動理論，將ASV 的飛行控制系統(tǒng)分成快慢回路，并分別為它們設計TLC 控制器。最后在ASV 高超聲速飛行條件下進行仿真驗證，以檢驗該控制系統(tǒng)的有效性和魯棒性。 接著，通過理論分析找出系統(tǒng)中存在的不確定對當前TLC 方法產生不利影響的機理，指出隨著不確定的增大，TLC 方法性能會不斷降低直至失效。為了解決這個問題，本文基于補償思想提出一種新的TLC 控制策略和控制結構，并首先利

4、用非線性干擾觀測器對于不確定的估計能力加以實現，給出一種基于非線性干擾觀測器的軌跡線性化控制新方法?；贚yapunov 理論證明出閉環(huán)系統(tǒng)所有誤差信號均以指數形式收斂至零。數值例子和ASV 的仿真驗證結果表明，新方法不僅有效而且能夠大大提高不確定條件下TLC 的控制性能和魯棒性。 隨后，利用神經網絡對未知非線性函數的逼近能力，提出一種新的魯棒自適應軌跡線性化(RATLC)控制結構。首先利用徑向基神經網絡來實現這一控制策略，設計

5、出神經網絡自適應調節(jié)律，采用Lyapunov 方法嚴格證明出在自適應調節(jié)律作用下閉環(huán)系統(tǒng)所有誤差信號最終有界。最后將所得結果推廣至單隱層神經網絡。 高精度地逼近系統(tǒng)中存在的不確定，可大大提高控制效果，為此本文研究了兩種新的神經網絡干擾觀測器技術。該技術具有廣泛的適用性，可與已有的很多控制方法結合來提高它們在不確定條件下的控制性能，因此該研究結果對于發(fā)展不確定非線性系統(tǒng)逼近策略具有重要的借鑒意義。在此基礎上，提出新的基于神經網絡干

6、擾觀測器的RATLC 控制結構，設計出合適的自適應調節(jié)律并利用Lyapunov 穩(wěn)定性理論進行了嚴格的證明。上述所有RATLC 方案均在ASV 高超聲速飛行條件下進行仿真驗證，仿真結果表明這些控制算法不僅有效，而且可以獲得非常優(yōu)異的控制性能。因此RATLC 策略使得當前TLC 方法獲得很大的發(fā)展。 最后，研究了ASV 自主式控制系統(tǒng)體系結構的設計問題。通過對多智能體技術的簡單回顧指出該技術用于ASV 自主控制系統(tǒng)設計的可行性，對