空天飛行器再入飛行的模糊自適應預測控制.pdf

1、空天飛行器(ASV)是各國正在大力發(fā)展的一種新型航空航天飛行器，具有很高的軍事和民用價值。在其高超聲速再入飛行過程中，ASV的大攻角再入使其速度、高度和姿態(tài)變化劇烈，呈現(xiàn)出強烈的非線性及耦合性等動態(tài)特性，并且受到大量的外界干擾和內部不確定的影響，這使得ASV的控制系統(tǒng)設計成為一項極具挑戰(zhàn)的研究課題。圍繞這一基礎科學問題，本文對ASV再入飛行的高精度、強穩(wěn)定、快速自適應預測控制問題展開了較為深入的研究。 首先，建立和完善超聲速和高

2、超聲速再入飛行條件下的ASV的質心運動方程和繞質心運動的6自由度動力學和運動學方程，開環(huán)分析表明了該模型能夠反映ASV再入飛行的復雜非線性、耦合性以及快速時變性等特點，具有一定的代表性，可以滿足未來ASV先進制導和控制等問題的理論研究和仿真驗證需要。 其次，利用一種有限時間預測控制方法，考慮了高超聲速飛行條件下的ASV再入制導軌跡控制問題。結合ASV再入飛行中的約束條件，建立了飛行器的再入走廊，選擇適當?shù)淖枇铀俣刃盘栕鳛轱w行器

3、的參考軌跡，然后基于泰勒展開設計了ASV再入制導軌跡預測控制系統(tǒng)，仿真結果表明了ASV制導控制系統(tǒng)的有效性。 隨后，針對具有不確定和復雜非線性等特性的ASV六自由度動力學方程，本文提出了基于模糊自適應重構系統(tǒng)的多輸入多輸出不確定非線性系統(tǒng)的預測控制律設計，并應用于解決空天飛行器模型不完全已知時的自適應姿態(tài)控制系統(tǒng)設計。通過模糊權值的在線調整設計出自適應模糊系統(tǒng)逼近被控對象中的未知函數(shù)，從而建立基于模糊重構系統(tǒng)的非線性預測控制系統(tǒng)

4、。為了降低設計方法的保守性，根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤誤差調整魯棒控制器中的自適應參數(shù)，所設計的控制器保證了閉環(huán)系統(tǒng)所有信號一致最終有界。最后在ASV高超聲速飛行條件下進行仿真驗證，以檢驗該控制系統(tǒng)的有效性和魯棒性。 接著，進一步考慮到ASV再入飛行過程中所受的內部不確定和外界干擾的影響，將ASV的氣動參數(shù)攝動和外界未知擾動統(tǒng)一看成系統(tǒng)的復合干擾，在理論分析的指導下提出一種基于補償原理的非線性模糊預測控制新策略，通過模糊系統(tǒng)對復合誤差進行了

5、在線逼近，并將其代入控制器設計，從而抵消了復合干擾對整個閉環(huán)系統(tǒng)的影響，保證了非線性預測控制律的控制性能。同時，在模糊系統(tǒng)中增加“可變論域”的思想，根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤誤差自動調整模糊論域的大小，以生成任意多條模糊規(guī)則，使得模糊系統(tǒng)的響應品質大大提高。 理論分析表明高精度地逼近系統(tǒng)中存在的不確定，可大大提高控制器的控制效果，為此本文在前面研究的基礎上結合干擾觀測器技術，設計了基于模糊干擾觀測器的非線性魯棒預測控制方法，為解決非線性不確

6、定系統(tǒng)的控制問題提供了新的途徑。該設計方法充分利用了被控系統(tǒng)的有用信息，并結合模糊系統(tǒng)實現(xiàn)了對ASV復合干擾更為有效地逼近和控制，從而獲得了更好的控制性能。基于Lyapunov穩(wěn)定原理，本文給出了模糊干擾觀測器的自適應調整律，并嚴格證明了系統(tǒng)的跟蹤誤差和干擾觀測誤差一致最終有界。 最后，本文結合了滑?？刂品椒ê皖A測控制方法，將滑模面引入非線性預測控制的二次型代數(shù)指標中，并利用代數(shù)指標的最優(yōu)化設計滑模控制律，從而提出了一種基于預測