空天飛行器再入飛行的模糊自適應(yīng)預(yù)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(qiáng)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(nèi)部不確定的影響，這使得ASV的控制系統(tǒng)設(shè)計成為一項極具挑戰(zhàn)的研究課題。圍繞這一基礎(chǔ)科學(xué)問題，本文對ASV再入飛行的高精度、強(qiáng)穩(wěn)定、快速自適應(yīng)預(yù)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(zhì)心運(yùn)動方程和繞質(zhì)心運(yùn)動的6自由度動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)方程，開環(huán)分析表明了該模型能夠反映ASV再入飛行的復(fù)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(jìn)制導(dǎo)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(yù)測控制方法，考慮了高超聲速飛行條件下的ASV再入制導(dǎo)軌跡控制問題。結(jié)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(dāng)?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(shè)計了ASV再入制導(dǎo)軌跡預(yù)測控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明了ASV制導(dǎo)控制系統(tǒng)的有效性。 隨后，針對具有不確定和復(fù)雜非線性等特性的ASV六自由度動力學(xué)方程，本文提出了基于模糊自適應(yīng)重構(gòu)系統(tǒng)的多輸入多輸出不確定非線性系統(tǒng)的預(yù)測控制律設(shè)計，并應(yīng)用于解決空天飛行器模型不完全已知時的自適應(yīng)姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計。通過模糊權(quán)值的在線調(diào)整設(shè)計出自適應(yīng)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(gòu)系統(tǒng)的非線性預(yù)測控制系統(tǒng)

4、。為了降低設(shè)計方法的保守性，根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤誤差調(diào)整魯棒控制器中的自適應(yīng)參數(shù)，所設(shè)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(jìn)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(jìn)一步考慮到ASV再入飛行過程中所受的內(nèi)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(fù)合干擾，在理論分析的指導(dǎo)下提出一種基于補(bǔ)償原理的非線性模糊預(yù)測控制新策略，通過模糊系統(tǒng)對復(fù)合誤差進(jìn)行了

5、在線逼近，并將其代入控制器設(shè)計，從而抵消了復(fù)合干擾對整個閉環(huán)系統(tǒng)的影響，保證了非線性預(yù)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(diào)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(yīng)品質(zhì)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(chǔ)上結(jié)合干擾觀測器技術(shù)，設(shè)計了基于模糊干擾觀測器的非線性魯棒預(yù)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(shè)計方法充分利用了被控系統(tǒng)的有用信息，并結(jié)合模糊系統(tǒng)實現(xiàn)了對ASV復(fù)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(yīng)調(diào)整律，并嚴(yán)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(jié)合了滑?？刂品椒ê皖A(yù)測控制方法，將滑模面引入非線性預(yù)測控制的二次型代數(shù)指標(biāo)中，并利用代數(shù)指標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計滑?？刂坡桑瑥亩岢隽艘环N基于預(yù)測