高超聲速飛行器參數(shù)化建模及控制方法研究.pdf

1、吸氣式高超聲速飛行器(AHSV)是目前航空航天領域研究的熱點，與其他飛行器相比，AHSV飛行包線大，飛行環(huán)境復雜，不確定因素多，子系統(tǒng)之間存在顯著耦合，給飛行器設計和控制系統(tǒng)設計帶來了很大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)設計出基本構型后再進行控制相關分析和設計的過程難以滿足AHSV的設計需要，有必要在飛行器設計初期就引入導航、制導與控制(GNC)學科，采用包括氣動、推進、結構和控制等多學科的一體化設計過程。在早期設計過程中，GNC學科需要建立控制關注的動力學

2、模型、進行早期的動力學、控制相關分析和設計等，在這些分析和設計過程中，需要兼顧精度和效率，并開發(fā)輔助進行分析和設計的軟件工具。
　　為了在飛行器設計初期快速的分析飛行器主要的動力學特征，采用參數(shù)化建模方法建立了飛行器的數(shù)學模型。將飛行器幾何設計空間用特征參數(shù)集來描述，通過修改這些特征參數(shù)的取值，可以分析不同外形飛行器的性能。建模過程中，結合類型函數(shù)/形狀函數(shù)變換法和二次曲線法對飛行器外形進行參數(shù)化；用固定于質心的雙懸臂梁建立了飛行

3、器彈性模型；氣動力通過面元法估算得到，對每個面元采用無粘流工程估算理論計算，并進行粘性修正；建立準一維推進系統(tǒng)模型估算推力，采用斜激波/膨脹波相交理論改進了進氣道模型，燃燒室建模中考慮了模態(tài)轉換，使其適用于雙模燃燒室；最終根據(jù)拉格朗日方程推導出飛行器縱向運動方程。所建立的模型能夠體現(xiàn)飛行器子系統(tǒng)之間的耦合特征。
　　為深入理解AHSV的各種動力學行為，對建立的飛行器模型進行詳細的分析。這其中包括發(fā)動機工作模態(tài)分析和非設計點推力特性

4、分析、飛行包線內動靜態(tài)特征分析、氣動/推進/結構/控制系統(tǒng)耦合分析、建模中未考慮的地球曲率影響分析?；谶@些分析，對模型進行適當?shù)暮喕?，從復雜的剛體-彈性模態(tài)直接耦合的非線性動力學模型中提取用于控制器設計的模型。根據(jù)文中建立的氣動、推進和彈性模型，生成氣動數(shù)據(jù)庫，基于此獲取氣動系數(shù)的代理模型，并以歸一化速度和高度為調度變量，通過雅克比性化方法，建立了飛行器的線性變參數(shù)（LPV）模型，作為控制器設計模型。
　　針對AHSV大包線飛行

5、控制問題，引入保護映射理論。應用保護映射理論提出一種內外環(huán)變增益控制器參數(shù)自動確定方法，應用該方法設計了AHSV迎角控制器。該方法只需要指定初始設計點和初始控制器參數(shù)，應用保護映射理論分析該控制器參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定的飛行包線，然后在穩(wěn)定的包線邊界處以上一步的控制器參數(shù)為初值搜索新控制器參數(shù)，通過這兩個過程之間相互迭代，可以得到一個控制器序列及對應的穩(wěn)定范圍序列，最后采用曲線擬合得到控制器參數(shù)的解析式。仿真結果表明所設計的控制器能夠保證整個

6、飛行包線內的系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且在各個速度和高度下迎角階躍響應具有比較好的一致性。這樣的控制器設計方法可以避免傳統(tǒng)多個設計點分別設計的繁瑣，并保證大包線范圍內系統(tǒng)的區(qū)域穩(wěn)定性。
　　針對AHSV速度和高度跟蹤控制問題，結合保護映射理論和H∞理論，提出一種AHSV切換H∞控制器設計方法，將大包線飛行器模型分成若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)采用H∞方法確定控制器參數(shù)。保護映射理論用以計算控制器參數(shù)適用的最大飛行包線范圍，即劃分子系統(tǒng)。通過重復“

7、計算控制器參數(shù)-劃分子系統(tǒng)”這個過程，得到整個包線內的控制器參數(shù)，最終的控制律根據(jù)調度變量在這些參數(shù)之間切換，為使得控制量平滑變化，在兩個子系統(tǒng)重疊區(qū)域平滑切換。仿真結果表明，該方法所設計的控制器能夠保證系統(tǒng)的區(qū)域穩(wěn)定性，對指令信號具有良好的跟蹤響應，并且具有較強的魯棒性。
　　為輔助進行飛行器設計初期的參數(shù)化建模、動力學和控制相關分析和設計，開發(fā)了一個工具軟件，并應用該軟件進行了參數(shù)化分析，以此說明該軟件在飛行器設計早期的應用。