高超聲速飛行器縱向模型的非線性控制方法研究.pdf

1、高超聲速飛行器是航空和航天發(fā)展到一定程度的結(jié)合物，是一項前瞻性、戰(zhàn)略性、帶動性的科技工程，具有很強的民用和軍事應(yīng)用價值，涉及到很多學(xué)科，是諸多前言技術(shù)的集合，其中飛行控制技術(shù)作為其中一項非常關(guān)鍵技術(shù)成為受到普遍關(guān)注和重視的前沿課題和研究熱點。由于高超聲速飛行器飛行速度快，飛行高度高，飛行環(huán)境惡劣，其系統(tǒng)存在高度非線性、強烈的耦合性、快速的時變性和嚴重的不確定性的特征，這就給高超聲速飛行器飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)。圍繞這一

2、難題，論文立足于拓展新的理論和方法，對高超聲速飛行器縱向運動的非線性控制方法進行了深入研究，全文主要成果如下：
　　（1）基于高階滑模理論設(shè)計了3階和4階的Quasi-continuous滑?？刂破鲗λ俣群透叨戎噶钸M行跟蹤，與傳統(tǒng)滑?？刂破鬟M行了對比分析，Quasi-continuous高階滑?？刂瓶梢詼p少速度和高度階躍響應(yīng)時間，并采用魯棒精確微分器來克服高階滑模導(dǎo)數(shù)不易測量的困難。為了抑制滑模的抖振現(xiàn)象，首先把升高系統(tǒng)相對階升高

3、到4階和5階，再對未進入滑模面前的初始瞬態(tài)過程進行處理，結(jié)合這兩種方法設(shè)計出4階和5階的Quasi-continuous滑模控制器，結(jié)果表明這樣能夠把控制輸入的抖振降低到10階3量級。
　　（2）由于高超聲速飛行器在飛行過程中，自身結(jié)構(gòu)和外界擾動不確定擾動是無法預(yù)測的，很難保證不確定性因素能夠滿足匹配條件，所以本論文采用指數(shù)滑模反步法對高超聲速飛行器非匹配不確定的縱向模型設(shè)計魯棒控制器，抑制不確定性因素的擾動。首先將飛行器的運動方

4、程分成速度子系統(tǒng)和高度子系統(tǒng)，在子系統(tǒng)中把其非匹配的外界擾動假設(shè)成一個函數(shù)，并采用一個有界函數(shù)對其進行限制。然后對飛行速度和飛行高度系統(tǒng)分步構(gòu)建Lyapunov函數(shù)來設(shè)計指數(shù)滑模反步控制律，以保證系統(tǒng)沿著所設(shè)計的滑模面逐漸跟蹤指令信號并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，并從理論給出了詳細的證明。仿真結(jié)果也表明指數(shù)滑模反步法能夠很好地抑制外界非匹配干擾，并能夠?qū)崿F(xiàn)輸入指令信號的跟蹤。
　?。?）把高超聲速飛行器外界因素干擾看成Brown運動和Poi

5、ssion過程的疊加，進而將高超聲速飛行器縱向模型看成隨機跳擴散系統(tǒng)。首先基于Lyapunov方法給出了非線性隨機跳擴散系統(tǒng)在均方和幾乎必然意義下的指數(shù)穩(wěn)定性的準則，然后針對線性跳擴散系統(tǒng)，采用線性狀態(tài)反饋控制律進行控制，以線性矩陣不等式形式給出隨機線性跳擴散系統(tǒng)穩(wěn)定性判定準則，這種準則能夠更方便地尋找狀態(tài)反饋的線性增益值，更容易地對進行穩(wěn)定性分析、更便捷地實現(xiàn)系統(tǒng)編程計算。最后對巡航狀態(tài)下高超聲速飛行器縱向隨機跳擴散系統(tǒng)線采用性狀態(tài)反