基于反步法的高超聲速飛行器自適應控制方法研究.pdf

1、高超聲速飛行器一般是指飛行速度超過5倍音速的飛行器，具有高機動、大航程等優(yōu)點，有著巨大的軍事價值和潛在的經(jīng)濟價值，是未來飛行器的一個重要發(fā)展方向，其中高超聲速飛行器的控制技術是高超聲速飛行器研究的難點和熱點。高超聲速飛行器采用發(fā)動機和機身一體化構形使得推進系統(tǒng)以及結構動力學之間存在強耦合作用，并且發(fā)動機對攻角變化的敏感導致了高超聲速飛行器的氣動力學特征存在嚴重的非線性，而飛行器的飛行高速度和大航程加重了運動模型的非線性程度和通道間的耦合

2、程度。另外，高超聲速飛行器數(shù)學模型還存在很大的不確定性。此外，其飛行高度和飛行速度跨越范圍大，以至于受到外界干擾的影響，并且飛行速度快也對控制系統(tǒng)的反應速度提出了更高要求。因此，本文針對高超聲速飛行器具有數(shù)學模型強非線性、強耦合、不確定性及受外界干擾等特點，對其高精度、強魯棒性和自適應能力強的再入飛行控制問題進行了深入研究。具體研究內容如下：
　　第一，為設計高超聲速再入飛行控制系統(tǒng)，首先建立了高超聲速飛行器的運動學和動力學方程，

3、及其氣動力和動力矩方程。進而利用所建立的模型對飛行器的開環(huán)特性和動態(tài)耦合特性進行仿真分析。并通過合理的簡化，得到飛行器運動姿態(tài)仿射非線性模型，為后續(xù)控制系統(tǒng)設計打下堅實的基礎。
　　第二，針對高超聲速飛行器數(shù)學模型的強非線性和不確定性問題，將自適應模糊控制與魯棒H2/H?控制相結合，提出了自適應模糊H2/H?控制方法。該方法同時考慮了控制系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性和動態(tài)性能。首先，采用模糊系統(tǒng)對被控模型進行重構，并設計重構系統(tǒng)的等效控制器，

4、同時采用投影算子對參數(shù)自適應律進行修正以避免模糊控制器的參數(shù)產(chǎn)生漂移。其次，為補償模糊系統(tǒng)的逼近誤差和干擾對狀態(tài)跟蹤誤差的影響，引入混合H2/H?控制算法，并給出H2/H?控制問題有解的充分必要條件，采用Lyapunov理論嚴格證明閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。進一步，將自適應模糊H2/H?控制方法用于高超聲速飛行器再入飛行反步控制中，提出了無限時間自適應模糊H2/H?飛行控制方法，使得控制算法易于工程實現(xiàn)，且有效抑制干擾、不確定以及模糊逼近誤差的

5、影響。最后仿真驗證自適應模糊控制中引入H2/H?控制，與自適應模糊H?、H2控制相比，可以有效提高跟蹤控制性能。
　　第三，基于所建立的高超聲速飛行器運動姿態(tài) MIMO仿射非線性模型，提出了一種嚴格塊反饋型的反步控制方法。首先，針對一類嚴格反饋型 MIMO非線性系統(tǒng)，基于反步法設計控制器，并針對嚴格反饋型高超聲速飛行器姿態(tài)控制問題，給出高超聲速飛行器的反步控制方案。然后，為消弱不確定參數(shù)的影響，基于模糊系統(tǒng)對非線性函數(shù)的逼近能力提

6、出了一種自適應反步控制方法。此外，為增強控制器對不確定參數(shù)的自適應能力，建立了具有時變參數(shù)的嚴格反饋型的高超聲速飛行器姿態(tài)穩(wěn)定回路模型，并提出了帶有自適應參數(shù)估計的高超聲速飛行器反步控制方法。利用Lyapunov理論證明了上述閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后，高超聲速飛行器仿真驗證所提出控制方法的有效性。
　　第四，針對高超聲速飛行器內部參數(shù)和力矩干擾不確定的特點，在第四章研究的基礎上，提出了基于干擾觀測器的反步飛行控制方法。首先，介紹了基

7、于非線性干擾觀測器（NDO）的反步飛行控制系統(tǒng)設計思想。其次，為提高干擾觀測器的逼近速度，設計出具有有限時間收斂的自適應超扭曲滑模干擾觀測器（ASTA-SMDO），并引入死區(qū)方法以避免ASTA-SMDO參數(shù)過大而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。此外，為提高干擾觀測器的逼近精度，提出了一種快速終端滑模干擾觀測器（FTSMDO）的設計方法，并分別基于ASTA-SMDO和FTSMDO設計了反步飛行控制系統(tǒng)。最后，為增強控制系統(tǒng)對大不確定參數(shù)的自適應能力，基于

8、FTSMDO觀測輸出設計出帶有自適應參數(shù)估計的反步飛行控制系統(tǒng)，進一步改善控制效果。
　　第五，為進一步提高整個控制系統(tǒng)的跟蹤收斂速度，提出了一種具有全局快速收斂性的非奇異終端滑模控制方法。首先，分析了線性滑模的有限時間可達性、滑模運動的收斂性以及終端滑模（TSM）滑動模態(tài)的有限時間收斂性。其次，為保證TSM具有全局收斂性，提出了一種具有全局快速收斂的終端滑模設計方法。然后，為解決終端滑模控制（TSMC）和全局快速收斂TSMC的奇