高超聲速飛行器氣動(dòng)彈性建模與魯棒變?cè)鲆婵刂?pdf

1、高超聲速飛行器由于其在民用和軍事領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，得到了世界各軍事強(qiáng)國(guó)的廣泛重視，成為目前航空航天飛行技術(shù)的主要研究方向。高馬赫數(shù)使得高超聲速飛行器相對(duì)比常規(guī)飛行器具有了巨大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也帶來了許多技術(shù)挑戰(zhàn)。只從控制科學(xué)角度來看，這些挑戰(zhàn)主要包括氣動(dòng)/彈性/控制系統(tǒng)之間的親合、機(jī)體/發(fā)動(dòng)機(jī)之間的親合、大跨度飛行導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化、控制航面效率低下以及閉環(huán)系統(tǒng)始終處于近乎臨界穩(wěn)定狀態(tài)等。本文以高超聲速飛行器氣動(dòng)彈性問題為研究核

2、心，針對(duì)當(dāng)前氣動(dòng)彈性分析與面向控制的模型方面存在的問題，按照分析問題、建立模型、問題的提出、控制方法、控制器設(shè)計(jì)與綜合的研究思路，分析了高超聲速飛行器所受的氣動(dòng)力和彈性形變以及二者之間的關(guān)系，通過引入全新變量建立了飛行器的非線性運(yùn)動(dòng)模型，并且針對(duì)不確定性和參數(shù)變化問題分別給出了相應(yīng)的控制算法，給出了完整的控制器設(shè)計(jì)與綜合方法，保證飛行器在巡航和大跨度飛行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定。
　　分析了X-43A構(gòu)型的高超聲速飛行器在高超聲速流中機(jī)體

3、表面的氣流分區(qū)特性，給出了機(jī)體各表面氣流特性與高度、速度以及攻角的關(guān)系;使用當(dāng)?shù)亓骰钊碚摲治鰴C(jī)體各表面和航面上下表面的非定常氣動(dòng)力，給出了飛行器飛行中受到的合力和合力矩，為后續(xù)的分析氣動(dòng)與彈性的關(guān)系、建立高超聲速飛行器以及飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作建立了基礎(chǔ)。
　　分析了高超聲速飛行器的自由振動(dòng)和靜態(tài)彈性形變，給出了飛行器在機(jī)體各表面氣動(dòng)力的作用下機(jī)體前端的燒曲線方程;根據(jù)氣動(dòng)和彈性之間的本質(zhì)聯(lián)系，提出了誘發(fā)攻角的概念，誘發(fā)攻角的動(dòng)

4、態(tài)具有簡(jiǎn)潔的表現(xiàn)形式并且可以同時(shí)描述非定常氣動(dòng)力和彈性形變的特性與聯(lián)系;利用Lagrange方程建立了高超聲速飛行器的飛行動(dòng)力學(xué)方程，通過分析誘發(fā)攻角與剛體運(yùn)動(dòng)各變量的關(guān)系，對(duì)剛體模型進(jìn)行修正，給出了包含氣動(dòng)彈性信息的高超聲速飛行器非線性運(yùn)動(dòng)方程。所給出的高超聲速飛行器氣動(dòng)彈性模型是后續(xù)工作中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
　　針對(duì)高超聲速飛行器具有模型不確定性和參數(shù)不確定性、陣風(fēng)干擾和大跨度機(jī)動(dòng)飛行導(dǎo)致的系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化等問題，在LPV系

5、統(tǒng)框架內(nèi)，將問題歸結(jié)為標(biāo)準(zhǔn)的H∞問題，根據(jù)多胞LPV系統(tǒng)的特性，應(yīng)用仿射參數(shù)依賴的Lyapunov方法，給出了LPV魯棒變?cè)鲆婵刂破魉惴?利用混合靈敏度思想，給出魯棒變?cè)鲆婵刂破鞯木C合方法。隨后將高度和速度作為調(diào)度變量，建立了LPV系統(tǒng)模型，并將模型轉(zhuǎn)換為多胞LPV系統(tǒng)的形式。通過選擇合適的加權(quán)函數(shù)和求解LMI問題綜合得到了?。魯棒變?cè)鲆婵刂破鳌?yīng)用得到的控制器解決高超聲速飛行器巡航階段和機(jī)動(dòng)飛行階段的姿態(tài)穩(wěn)定問題，仿真結(jié)果表明控制器可

6、以有效地保證干擾和不確定性存在條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性;作為對(duì)比，給出了基于LTI系統(tǒng)設(shè)計(jì)的單點(diǎn)控制器在相應(yīng)飛行條件下控制效果，對(duì)比結(jié)果表明在機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，LPV魯棒變?cè)鲆婵刂破骶哂懈玫男阅堋?br>　　根據(jù)高超聲速飛行器的飛行任務(wù)需求，設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制系統(tǒng)。根據(jù)頻帶分離原理，將被控對(duì)象分為高頻回路和低頻回路，采用多回路控制結(jié)構(gòu)，分別綜合得到了LPV姿態(tài)穩(wěn)定控制器和軌跡跟蹤控制器。將所獲得控制器分別用于跟蹤通用的周期衰減飛行軌跡和?X43-A