彈性高超聲速飛行器跟蹤問題控制方法研究.pdf

1、由于顯著的軍事價值和民用價值,高超聲速飛行器已成為世界各強國廣泛關(guān)注和研究的焦點,是目前臨近空間飛行技術(shù)的主要研究方向。高超聲速飛行器快時變、強非線性、強耦合、不確定、彈性影響等特點,使得飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計成為一項極具挑戰(zhàn)性的研究課題。圍繞這一課題,以實現(xiàn)高超聲速飛行器的穩(wěn)定跟蹤為目的,依次從高超聲速飛行器的非線性特性、參數(shù)不確定、外部干擾、輸入受限、執(zhí)行器故障等方面逐步深入,系統(tǒng)地研究高階滑模控制方法及有限時間穩(wěn)定理論在跟蹤控制問題中

2、的應(yīng)用。
　　首先,基于牛頓運動定律及歐拉運動定律,建立剛體模型,并將機身看作均勻的兩端自由梁結(jié)構(gòu),推導(dǎo)建立飛行器的彈性振動方程,分析了剛體與彈性之間的耦合影響。進一步考慮高超聲速飛行器模型中的彈性影響、強非線性、強耦合特性,將彈性影響視為不確定,對高超聲速非線性模型進行處理,基于非線性動態(tài)逆方法,獲得面向控制模型。考慮模型參數(shù)不確定對控制性能的影響,當(dāng)飛行系統(tǒng)不確定上界已知,基于齊次性理論設(shè)計擬連續(xù)高階滑?？刂破鞯脑O(shè)計,確保有限

3、時間內(nèi)實現(xiàn)對參考指令的穩(wěn)定跟蹤,仿真驗證了控制方法的魯棒性。
　　其次,考慮彈性高超聲速飛行器的不確定上界未知,基于幾何齊次性理論和積分滑?？刂评碚?提出了一種新型自適應(yīng)高階滑?？刂破鞯脑O(shè)計方法,控制器由兩部分組成,一部分為連續(xù)的標(biāo)稱控制器,基于幾何齊次性設(shè)計,能夠保證系統(tǒng)有限時間收斂;另一部分為不連續(xù)的滑?？刂破?處理不確定。同時,通過滑模面變量構(gòu)造自適應(yīng)律,對不確定邊界進行在線估計,達到自適應(yīng)高階滑模控制器設(shè)計目的,解決了實時

4、在線估計不確定上界的問題。利用Lyapunov穩(wěn)定性理論,證明所設(shè)計的高階滑?？刂破髂軌蛟谟邢迺r間內(nèi)收斂到系統(tǒng)平衡點,實現(xiàn)了對參考指令的有限時間穩(wěn)定跟蹤,仿真結(jié)果驗證控制方法的魯棒性。
　　再次,針對彈性高超聲速飛行器存在參數(shù)不確定、外部干擾以及控制輸入受限的魯棒控制問題,考慮控制器-干擾觀測器的綜合設(shè)計,利用高階滑模干擾觀測器技術(shù)對綜合干擾進行估計,實現(xiàn)對控制器的補償及干擾的抑制。基于Lyapunov理論詳細分析了閉環(huán)系統(tǒng)的有限

5、時間穩(wěn)定性,仿真結(jié)果驗證了控制器-干擾觀測器綜合設(shè)計的魯棒性,與自適應(yīng)滑模方法相比,控制器-干擾觀測器綜合設(shè)計的控制策略能有效地處理系統(tǒng)參數(shù)不確定、外部干擾及控制輸入受限。
　　最后,針對彈性高超聲速飛行器中結(jié)構(gòu)已知的執(zhí)行器控制效益損失,提出了一種自適應(yīng)滑模容錯控制方法。采用已知的控制效益損失故障,建立飛行器的故障不確定模型。構(gòu)造自適應(yīng)滑模容錯控制律,利用積分滑模面的動態(tài)變化檢測故障的發(fā)生,并激發(fā)自適應(yīng)律實現(xiàn)控制增益的自動調(diào)整,及