靜不穩(wěn)定飛翼無人機機動飛行控制技術(shù)研究.pdf

1、靜不穩(wěn)定飛翼布局無人機系統(tǒng)以其先進的氣動特性、突出的隱身性能與機動性能在軍事領(lǐng)域具有極強的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)價值與廣泛的應(yīng)用前景。論文針對此類高性能無人駕駛飛行器平臺，提出了一種機動飛行控制器的設(shè)計方法。即使在面臨內(nèi)部不確定性與外部擾動環(huán)境下，仍能出色地完成縱、橫向機動飛行動作，從而充分發(fā)揮了靜不穩(wěn)定飛翼布局無人機的飛行潛能，并提高了飛行控制系統(tǒng)的魯棒性與適應(yīng)性。
　　論文首先分析了飛翼布局無人機系統(tǒng)的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀以及機動飛行能力帶

2、來的優(yōu)越性，并深入研究了機動飛行控制中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。針對樣例靜不穩(wěn)定飛翼無人機的氣動特點，建立了六自由度非線性運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此分析了其在機動飛行中出現(xiàn)的運動、氣動以及操縱耦合等復(fù)雜的非線性特性。同時闡述了靜不穩(wěn)定性與飛翼布局對上述耦合特性產(chǎn)生的附加影響，獲得了樣例無人機所具備的機動飛行能限。
　　其次，提出了整個閉環(huán)機動飛行控制系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)與設(shè)計方案。通過對方案的分析研究確定了內(nèi)、外回路控制器與控制分

3、配環(huán)節(jié)在飛行控制系統(tǒng)中的具體功能與作用，以及內(nèi)回路主-輔控制器之間相互依存、互為補充的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于魯棒伺服非線性逆控制與魯棒模型參考自適應(yīng)控制相結(jié)合的縱、橫向內(nèi)回路主控制器：其中，魯棒伺服非線性逆控制用于抵消機動飛行中的非線性耦合項，并實現(xiàn)對確定形式的期望指令的無差跟蹤以及對確定形式的擾動的有效抑制；以加入魯棒伺服非線性逆控制后的理想閉環(huán)系統(tǒng)為參考模型，構(gòu)造了一種能夠適應(yīng)于任意相對階系統(tǒng)的魯棒模型參考自適應(yīng)控制器，不

4、但增強了魯棒伺服非線性逆控制的魯棒性，并且實現(xiàn)了兩種控制方式的完美融合。通過理論分析，證明了內(nèi)回路主控制器的指令跟蹤性能與魯棒性能。
　　再次，研究了內(nèi)回路輔助控制器構(gòu)造方法與設(shè)計步驟。在輔助控制器的構(gòu)造中，將閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)估計誤差項與不確定性一并看作跟蹤誤差動態(tài)系統(tǒng)中的綜合擾動部分，通過設(shè)計滿足適當性能指標的輔助控制器來削弱該綜合擾動部分對跟蹤差的影響，從而在很大程度上提升了閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。同時還指出：閉環(huán)系統(tǒng)瞬態(tài)

5、性能的改善程度與補償器的性能指標的選取密切相關(guān)。論文從理論上證明了加入輔助控制器極大地改善了系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)性能，且不會對內(nèi)回路主控制器的理想特性產(chǎn)生影響。在完成內(nèi)回路主-輔控制器設(shè)計的基礎(chǔ)上，給出了外回路魯棒自適應(yīng)逆控制器的設(shè)計方法與穩(wěn)定性分析結(jié)論。
　　接著，通過分析控制分配環(huán)節(jié)當中所存在的執(zhí)行器物理限制、舵效隨飛行狀態(tài)呈現(xiàn)非線性變化，以及操縱面產(chǎn)生的三軸力矩耦合等問題，提出了一種變權(quán)重動態(tài)控制分配算法。該算法保留了線性分配方法的

6、快速、直接等特點，從而保證了控制分配的實時性；并采用變權(quán)重的方式使得線性度較好的執(zhí)行器擁有較大的分配權(quán)限，從而有效地減小了執(zhí)行器非線性造成的控制分配誤差。通過求解二次規(guī)劃最優(yōu)問題，以一種離散濾波器的形式實現(xiàn)了動態(tài)過程中分配精度與分配步長之間的平衡。
　　最后，為了驗證所提出的機動飛行控制器的正確性與有效性，論文以樣例靜不穩(wěn)定飛翼布局無人機為被控對象，搭建了數(shù)值仿真環(huán)境，通過非線性仿真測試了所設(shè)計的縱、橫向內(nèi)外回路控制的指令跟蹤性能