高超聲速飛行器建模及其先進(jìn)飛行控制機(jī)理的研究.pdf

1、與其它飛行器相比，由于高超聲速飛行器大范圍的飛行環(huán)境以及迅速變化的機(jī)體質(zhì)量，其動(dòng)態(tài)特性在整個(gè)飛行包線內(nèi)是極易變化的。此外，由于高超聲速飛行器采用機(jī)體耦合結(jié)構(gòu)以及飛行在高海拔和大馬赫數(shù)的條件下，導(dǎo)致其對氣動(dòng)條件的變化相當(dāng)敏感，并且高超聲速飛行器在飛行過程中還受到結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)，推進(jìn)動(dòng)態(tài)以及它們之間耦合的影響，其氣動(dòng)和推進(jìn)特性是不確定的，甚至難以估計(jì)。這些因素的影響，使得高超聲速飛行器的模型是不確定的，多變量的，不穩(wěn)定的，并且存有輸入輸出之間的強(qiáng)

2、耦合，因此，為高超聲速飛行器設(shè)計(jì)出具有高度非線性控制能力和魯棒性能的控制器顯得尤為重要。 為了掌握高超聲速飛行器復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性，建立了其模型的微分方程，方程包括剛性和彈性模態(tài)。并運(yùn)用仿真工具得到了縱向和橫側(cè)向模態(tài)的氣動(dòng)參數(shù)和特征值，計(jì)算出了在不同飛行速度和高度下巡航平衡飛行的狀態(tài)值，獲取了整個(gè)飛行過程中近似的飛行包線。通過分析這些所獲得的結(jié)果，可以了解高超聲速飛行器的動(dòng)態(tài)特性和飛行特點(diǎn)。此外，還能為高超聲速飛行器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)

3、計(jì)提供適當(dāng)?shù)谋豢貙ο蟆?針對高度非線性和強(qiáng)耦合的高超聲速飛行器數(shù)學(xué)模型，引入了反饋線性化原理，將其非線性的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化成符合控制設(shè)計(jì)要求的等效線性模型。并通過適當(dāng)?shù)淖儞Q，設(shè)計(jì)出了高超聲速飛行器動(dòng)態(tài)逆控制系統(tǒng)，可以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)，解除耦合影響的目的。 對于高超聲速飛行器匹配不確定的控制問題，提出了基于變結(jié)構(gòu)理論的動(dòng)態(tài)逆控制方法。該方法將逆控制的非線性解耦能力與變結(jié)構(gòu)理論的魯棒性能有機(jī)結(jié)合，能夠被用來解決一類高超聲速飛行器具有

4、參數(shù)和結(jié)構(gòu)匹配不確定性的控制問題。 對于高超聲速飛行器非匹配不確定的控制問題，采用了自適應(yīng)的反步法和變結(jié)構(gòu)反步法，這兩種方法分別用來解決可參數(shù)化非匹配不確定和不可參數(shù)化非匹配不確定控制問題。在設(shè)計(jì)高超聲速飛行器控制系統(tǒng)的過程中，采用非線性動(dòng)態(tài)逆控制作為控制內(nèi)環(huán)，以消除多變量之間的耦合，而以自適應(yīng)的反步法和變結(jié)構(gòu)反步法作為控制外環(huán)，以保證系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，抑制非匹配不確定性所帶來的擾動(dòng)。 考慮到高超聲速飛行器具有部分或者全

5、部未知的模型動(dòng)態(tài)，采用了帶補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)動(dòng)態(tài)逆控制方法和基于函數(shù)逼近的自適應(yīng)控制方法。前者通過可以在線調(diào)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出來補(bǔ)償高超聲速飛行器模型誤差，后者通過單隱層神經(jīng)元或模糊邏輯系統(tǒng)來逼近未知的高超聲速飛行器模型動(dòng)態(tài)，并應(yīng)用李雅普諾夫方法將外界擾動(dòng)和逼近誤差抑制在指定的范圍內(nèi)。 針對高超聲速飛行器模型動(dòng)態(tài)和階數(shù)都未知的情形，采用了總能量控制原理。利用發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和升降舵分別控制總能量的改變和分配，并通過合理改變和分配能量，確保高