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高超声速飞行器飞行控制系统设计方法与仿真研究

作　者: 王倩
导　师: 艾剑良
学　校: 复旦大学
专　业: 流体力学
关键词: 高超声速飞行器数值模拟反馈线性化最优控制动态逆控制滑模控制动态面控制
分类号: V249.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高超声速飞行器已经成为世界航空航天领域一个极其重要的发展方向,其中高超声速飞行器的控制技术是高超声速飞行器研究的重点及难点,也是世界各国研究的热点。与常规飞行器相比,高超声速飞行器采用的是机身/发动机一体化技术,从而使得高超声速飞行器的推进系统与结构动态之间存在强耦合,其模型呈现出高度的非线性特征,并且模型还存在有大量的不确定气动参数。此外,高超声速飞行器在大马赫数和高海拔的条件下飞行,外界扰动和未知因素的扰动十分显著,从而影响了飞行的稳定性。这些因素给高超声速飞行器模型的确定和控制系统的设计带来了前所未有的挑战。本文以国外已公开的通用高超声速飞行器纵向模型为研究对象,进行相关的控制方法研究。为了掌握高超声速飞行器复杂的气动特性,首先进行了高超声速飞行器全状态非线性六自由度建模,建立了研究对象的被控数学模型,并分析了发动机模型。然后结合某一高超声速飞行器(Winged-cone)的外形设计,采用数值模拟的方法,计算出高超声速飞行器在不同飞行条件下的气动参数。在此基础上,研究了高超声速飞行器的气动特性。并对高超声速飞行器全状态运动方程进行解耦分析,得到了高超声速飞行器纵向运动方程,对其进行特征值分析和动态响应分析,从而更加深入的了解了高超声速飞行器不同于常规飞行器的气动特性和飞行特点,也为接下来控制系统的设计提供了适当的控制平台。针对高超声速飞行器强耦合非线性的纵向模型,采用反馈线性化方法将高超声速飞行器纵向模型进行输入/输出精确线性化,然后以此为基础,设计出以二次型最优控制器作为辅助控制器的动态逆控制系统,该系统不仅能够解除高超声速飞行器纵向模型输入/输出之间的强耦合,还可以保证高超声速飞行器对指令信号跟踪的精确性和飞行过程的稳定性。并结合Matlab的仿真工具Simulink,对所设计的控制系统进行仿真,验证了高超声速飞行器动态逆控制系统良好的控制性能。关于高超声速飞行器不确定性因素的影响,且不确定性与控制输入处在同一通道内,采用滑模控制技术来设计高超声速飞行器飞行控制系统,解决了高超声速飞行器在实际飞行过程中,因模型的不确定性因素所产生的控制问题,提高了控制系统的鲁棒性能；并且设计出了一个非线性滑模观测器来估计攻角及航迹倾角等难以测量的状态,从而满足了所设计的滑模控制系统需全状态反馈的要求,仿真验证了高超声速飞行器滑模观测器的鲁棒性。对于高超声速飞行器不确定因素不能直接被控制作用所抵消的控制问题,即不确定因素与控制输入不处在同一通道内,采用动态面控制方法来设计高超声速飞行器飞行控制系统。该控制系统可以抑制飞行过程中因参数和结构变化所引起的不确定性的扰动,扩大了控制系统的适用范围,可以满足高超声速飞行器在更为复杂的环境下飞行的控制要求。仿真验证了该方法的有效性。综上所述,本文对高超声速飞行器飞行控制方法进行了深入的研究。针对其不稳定的、严重非线性的、输入输出强耦合的数学模型以及结构和参数不确定性等特点,对控制方法进行了详细的研究讨论,并通过仿真验证了所采用的各种控制方法的有效性,得出了有益的结论。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-10
本文主要符号参数注解  10-14
第一章绪论  14-27
  1.1 研究背景  14-17
  1.2 高超声速飞行器的研究现状  17-19
    1.2.1 国外研究现状  17-18
    1.2.2 国内研究现状  18-19
  1.3 高超声速飞行器种类及应用前景  19-23
    1.3.1 按飞行方式分类  19
    1.3.2 按功能分类  19-20
    1.3.3 按气动布局分类  20-23
  1.4 高超声速飞行器的飞行控制方法概述  23-25
  1.5 本文主要研究内容  25-27
第二章高超声速飞行器飞行动力学模型的建立  27-37
  2.1 高超声速飞行器的描述  27-28
  2.2 高超声速飞行器飞行动力学建模  28-36
    2.2.1 坐标系  28-31
    2.2.2 高超声速飞行器模型  31-36
      2.2.2.1 高超声速飞行器六自由度非线性运动方程  31-34
      2.2.2.2 空气动力学模型  34-35
      2.2.2.3 高超声速飞行器发动机模型  35-36
      2.2.2.4 大气环境模型  36
  2.3 本章小结  36-37
第三章高超声速飞行器气动特性计算与分析  37-53
  3.1 控制方程  37-38
  3.2 空间离散  38-39
  3.3 时间离散  39
  3.4 湍流模型  39-40
  3.5 数值计算结果及分析  40-45
  3.6 高超声速飞行器纵向运动模型的建立及仿真分析  45-52
    3.6.1 高超声速飞行器纵向运动模型  46-49
    3.6.2 高超声速飞行器纵向模型的动态响应  49-52
  3.7 本章小结  52-53
第四章动态逆控制理论及其在高超声速飞行器飞控系统中的应用  53-76
  4.1 动态逆控制方法的基本理论  53-55
    4.1.1 逆系统理论  53-54
    4.1.2 动态逆控制方法原理  54-55
  4.2 MIMO控制系统的反馈线性化  55-57
  4.3 高超声速飞行器的动态逆控制系统设计  57-67
    4.3.1 高超声速飞行器的逆系统  57-63
    4.3.2 伪线性系统的二次型最优控制  63-67
      4.3.2.1 线性二次型问题  63-65
      4.3.2.2 高超声速飞行器纵向飞控系统的最优控制器设计  65-67
  4.4 仿真与分析  67-74
  4.5 本章小结  74-76
第五章滑模控制技术及其在高超声速飞行器飞控系统中的应用  76-101
  5.1 滑模控制技术简介  76-77
  5.2 滑模控制技术的理论基础  77-83
    5.2.1 滑模控制的基本原理  77-80
    5.2.2 滑动模态的运动方程  80-81
    5.2.3 滑动模态的不变性  81-82
    5.2.4 滑模控制系统的抖振及其削弱问题  82-83
  5.3 高超声速飞行器滑模控制器设计  83-86
  5.4 高超声速飞行器滑模控制系统的仿真与分析  86-92
  5.5 高超声速飞行器滑模观测器设计  92-100
    5.5.1 滑模观测器的理论基础  92-95
    5.5.2 高超声速飞行器的滑模观测器设计与仿真  95-100
  5.6 本章小结  100-101
第六章动态面控制方法及其在高超声速飞行器飞控系统中的应用  101-118
  6.1 动态面控制理论  101-102
    6.1.1 动态面控制方法的定义  101-102
    6.1.2 动态面控制技术的发展  102
  6.2 非线性系统的动态面控制  102-109
    6.2.1 反演法的设计思想  102-105
    6.2.2 动态面控制器设计  105-107
    6.2.3 动态面控制系统稳定性分析  107-109
  6.3 高超声速飞行器动态面控制器设计  109-111
  6.4 仿真与分析  111-117
  6.5 本章小节  117-118
第七章总结与展望  118-120
  7.1 本文的主要工作  118-119
  7.2 工作展望  119-120
参考文献  120-130
攻读博士学位期间发表的学术论文  130
攻读博士学位期间参与的基金项目  130-131
致谢  131-132

高超声速飞行器飞行控制系统设计方法与仿真研究

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