近空間飛行器非線性飛控系統(tǒng)魯棒自適應(yīng)控制.pdf

1、近空間飛行器(Near Space Vehicle,NSV)集傳統(tǒng)航空器與航天器的優(yōu)點于一身,在軍事和民用方面具備重大的戰(zhàn)略價值,已成為各軍事強國關(guān)注和研究的焦點。NSV飛行環(huán)境的特殊性使其具有復(fù)雜非線性、快時變、強耦合的對象特征,并且在飛行過程中呈現(xiàn)多飛行狀態(tài)、多任務(wù)模式的特點,這使得NSV飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計更加復(fù)雜。圍繞這一基礎(chǔ)科學(xué)問題,本文基于6自由度十二狀態(tài)近空間飛行器數(shù)學(xué)模型,在不確定環(huán)境下飛行姿態(tài)、協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎和縱向飛行等方面開

2、展了深入的研究,主要研究成果有:
　　首先,根據(jù)國外公開發(fā)表的文獻資料、相關(guān)研究報告與實驗室前期研究成果,建立6DOF十二狀態(tài)NSV運動方程。為解決多變量、強耦合和復(fù)雜非線性的NSV姿態(tài)控制,研究了基于backstepping方法的一類多輸入多輸出非線性系統(tǒng)控制器設(shè)計方法,并以此設(shè)計了NSV姿態(tài)角控制器和角速度控制器,仿真結(jié)果說明所提方法有效性。
　　其次,圍繞具有不確定和外部干擾的NSV姿態(tài)運動方程,提出了基于干擾估計的b

3、ackstepping的控制方法。為補償系統(tǒng)中的未知干擾,給出兩種在線估計算法—自適應(yīng)干擾估計算法和二階滑模干擾觀測器,并通過理論推導(dǎo)和仿真分析驗證了所提出的控制策略能夠有效地提高受擾NSV姿態(tài)控制系統(tǒng)的抗干擾能力。
　　隨后,圍繞具有全包線飛行特點的變后掠翼NSV,采用切換仿射非線性系統(tǒng)來描述其不同階段姿態(tài)模型。當(dāng)切換系統(tǒng)精確已知時,依據(jù)backstepping方法,研究一類切換非線性系統(tǒng)光滑控制器設(shè)計新方法,以保證模型切換瞬間

4、控制量的光滑性。當(dāng)切換系統(tǒng)存在未知干擾時,為準(zhǔn)確地估計各模態(tài)的未知干擾,設(shè)計一組徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾觀測器,并采用魯棒項使得干擾估計值以任意小的誤差逼近干擾真值。在此基礎(chǔ)上,給出不確定切換非線性系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu),并采用多Lyapunov函數(shù)推導(dǎo)閉環(huán)切換非線性系統(tǒng)穩(wěn)定條件。以此設(shè)計后掠翼不確定時NSV的姿態(tài)角控制器和角速度控制器,仿真結(jié)果說明所提方法對不確定和外部干擾表現(xiàn)出良好的魯棒性。
　　然后,圍繞NSV縱向姿態(tài)/軌跡飛行協(xié)調(diào)控制

5、問題,提出基于快速收斂非線性微分器干擾補償?shù)目v向姿態(tài)/軌跡飛行協(xié)調(diào)控制方案。根據(jù)NSV縱向飛行特點,給出了NSV縱向姿態(tài)/軌跡協(xié)調(diào)控制模型。針對其中的非仿射非線性航跡模型,提出一種在線的非仿射非線性系統(tǒng)近似方法。為估計NSV縱向運動中的未知復(fù)合干擾,給出一種快速收斂的非線性微分器設(shè)計方法,并通過理論推導(dǎo)證明其微分估計誤差可以收斂于任意小的有界集內(nèi)。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)受限指令濾波backstepping方法和動態(tài)逆方法,設(shè)計受擾NSV姿態(tài)/

6、軌跡魯棒協(xié)調(diào)控制器,并通過理論推導(dǎo)和仿真分析說明所提出的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)與軌跡之間的協(xié)調(diào)運動。
　　最后,圍繞NSV協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制問題,提出基于二階滑模干擾觀測器干擾補償?shù)腘SV協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎魯棒控制策略。根據(jù)NSV轉(zhuǎn)彎飛行特點,建立航跡與姿態(tài)角和角速度之間相互影響的NSV協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎控制模型。將動態(tài)逆方法、帶有調(diào)節(jié)因子的滑?？刂品椒ê投A滑模干擾觀測器相結(jié)合,給出重心軌跡協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎魯棒控制器設(shè)計過程,其中利用帶有調(diào)節(jié)因子的滑模控制方法以改