近空間飛行器魯棒受限控制技術(shù).pdf

1、近空間飛行器(Near Space Vehicle，NSV)由于其潛在的價值已成為世界各國優(yōu)先發(fā)展、重點研制的飛行器，并已廣泛地應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。為了使得NSV在高速飛行狀態(tài)下具有最優(yōu)的氣動性能，其機(jī)翼布局結(jié)構(gòu)常采用小展弦比、大后掠角的形式。然而，此種布局會造成NSV在亞聲速和跨聲速情況下的氣動性能無法達(dá)到最佳狀態(tài)。為此，斜置機(jī)翼得到了廣泛關(guān)注和研究。同時，舵面飽和對于飛行器來說是一種普遍而又不可隨意忽略的問題，否則可能導(dǎo)致飛行控制

2、系統(tǒng)性能下降，甚至引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，具有輸入飽和的斜翼近空間飛行器(Near Space Vehicle with Oblique Wing，NSVOW)的魯棒受限飛行控制系統(tǒng)設(shè)計是一項創(chuàng)新而又富有挑戰(zhàn)的課題。本文圍繞這一問題，給出了NSVOW的數(shù)學(xué)模型，并研究了NSVOW在具有參數(shù)不確定、外部干擾和輸入飽和綜合影響下的魯棒姿態(tài)控制方法。論文主要工作內(nèi)容如下：
　　首先，研究了NSVOW六自由度十二狀態(tài)飛行運動數(shù)學(xué)模型，并通過

3、仿真分析了NSVOW的開環(huán)穩(wěn)定性和耦合性。為了后續(xù)研究方便，根據(jù)奇異攝動理論和時標(biāo)分離原則給出了具有仿射非線性方程形式的NSVOW姿態(tài)運動系統(tǒng)模型方程。
　　然后，基于滑?？刂品椒▽哂袇?shù)不確定、外部干擾和輸入飽和的NSVOW姿態(tài)運動進(jìn)行了魯棒控制器設(shè)計。通過非線性干擾觀測器對系統(tǒng)中的復(fù)合干擾進(jìn)行逼近，利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Radial Basis Function Neural Networks，RBFNNs)構(gòu)造一種飽和補(bǔ)償器

4、來解決舵面飽和受限問題，并基于Lyapunov理論嚴(yán)格地證明了所設(shè)計的控制器可以使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。仿真驗證了所提控制方案的有效性。
　　其次，研究了一類具有輸入飽和的不確定多輸入多輸出(Multi-input and Multi-output，MIMO)非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計方法?？紤]到回饋遞推控制方法中存在的“計算膨脹”問題，引入了動態(tài)面方法，即在每個子系統(tǒng)設(shè)計過程中利用一階低通濾波器來避免對虛擬控制律的求導(dǎo)。同時，通過所設(shè)計的非

5、線性干擾觀測器來逼近系統(tǒng)中的復(fù)合干擾。此外，構(gòu)建一種輔助系統(tǒng)來處理執(zhí)行器的飽和非線性問題，并通過Lyapunov理論分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，所研究的控制方法對具有輸入飽和及復(fù)合干擾的NSVOW姿態(tài)運動系統(tǒng)控制效果良好。
　　接著，針對輸入飽和問題利用雙曲正切函數(shù)對原MIMO非線性系統(tǒng)進(jìn)行等效變換，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的魯棒控制方法。通過在傳統(tǒng)回饋遞推方法的最后一步額外增加一個子系統(tǒng)，引入 Nussbaum函數(shù)對輸入

6、飽和進(jìn)行處理。同時，基于遞歸小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Wavelet Neural Network，RWNN)提出了一種新型智能干擾觀測器，利用回饋遞推和動態(tài)面方法完成系統(tǒng)控制器的設(shè)計，并通過Lyapunov理論嚴(yán)格地證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將所設(shè)計的控制方案應(yīng)用于NSVOW姿態(tài)跟蹤控制中，取得了較好的控制效果。
　　最后，結(jié)合滑?？刂坪头蔷€性干擾觀測器對一類具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障和輸入飽和受限的不確定MIMO非線性系統(tǒng)進(jìn)行容錯