学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高超声速飞行器巡航控制技术研究

作　者: 熊柯
导　师: 夏智勋
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 吸气式高超声速飞行器攻角控制自适应滑模控制非线性动态逆控制倾斜转弯控制全局积分滑模控制预补偿阵反步滑模控制
分类号: V249.1
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 385次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

吸气式高超声速飞行器具有速度快、巡航高度高、机动能力强等优点，因此在军事及民用领域都具有特殊的战略意义，已成为当前航空航天领域的研究热点。但由于采用了超燃冲压发动机、机体/发动机一体化设计等先进技术，使得高超声速飞行器气动、推进、结构和控制之间存在显著的动态交叉耦合效应，模型的非线性和不确定程度也很高，同时由于高超声速飞行器控制系统参数及发动机推力对飞行条件变化极其敏感，导致控制系统设计面临一系列困难。本文研究吸气式高超声速飞行器巡航控制问题，重点研究了纵向控制问题和倾斜转弯控制问题，其中纵向控制又分为稳态巡航时的攻角控制问题和纵向机动控制问题，倾斜转弯控制主要研究姿态控制问题。首先，在充分借鉴国内外文献资料的基础上，结合高超声速飞行器巡航段的飞行特点，建立起完整的高超声速飞行器6自由度数学模型，其中气动系数和吸气式发动机推力系数是飞行攻角、马赫数、高度和舵偏角的函数，并根据需要建立了纵向控制模型和倾斜转弯控制模型，分别进行了开环特性分析，表明整个模型能够体现出高超声速飞行器复杂的非线性、耦合性以及快时变性等特点，为设计具有非线性解耦控制能力和鲁棒性能的控制器提供了平台。在稳态巡航攻角控制中，首先建立了攻角控制模型并进行了操稳特性分析，然后分别设计了模糊PID控制、模型参考自适应滑模控制和自适应全局滑模控制三种攻角控制律，控制律的设计主要强调在参数不确定和干扰情况下保证攻角的快速、精确控制。在纵向非线性不确定模型控制研究中，以非线性输入输出反馈线性化控制作为控制内环，将复杂的非线性系统控制问题转化为线性系统的综合问题，然后分别设计滑模控制和反步滑模控制作为外环解决不确定性满足匹配条件与不满足匹配条件下系统的鲁棒控制问题。在倾斜转弯线性解耦控制研究中，设计了一种基于全局积分滑模的滚转角鲁棒自适应控制方法，同时基于多变量频域法对飞行器俯仰/偏航通道自动驾驶仪进行解耦设计，设计了一种解耦效果大大优于普通一阶预补偿阵的比例-积分型预补偿阵对耦合模型进行预补偿，把相互耦合的双输入双输出控制系统设计问题简化为两个单输入单输出系统的设计问题，然后用极点配置方法进行了独立系统设计。在倾斜转弯非线性解耦控制研究中，针对不确定性满足广义匹配条件的情况，设计了一种基于全局积分滑模面的变结构解耦控制器，解决了传统滑模控制抑制干扰能力差、滑模趋近阶段存在耦合的问题，同时通过滑模函数反馈削弱了系统参数不确定和干扰影响引起的滑模误差，实现了各输出之间的全程解耦和鲁棒稳定。针对不确定性不满足广义匹配条件的情况，设计了基于反步法的全局积分滑模解耦控制方法，在反步设计中每一步都采用鲁棒的全局积分滑模控制来稳定不确定系统，通过逐级修正算法设计控制器来实现对期望输出的渐进跟踪。

全文目录

摘要  17-19
Abstract  19-21
第一章绪论  21-40
  1.1 研究背景  21-22
  1.2 国内外高超声速飞行器研究现状  22-26
  1.3 高超声速飞行器控制需求和难点  26-29
    1.3.1 控制实时性和控制实现问题  26-27
    1.3.2 变参数问题  27-28
    1.3.3 非线性耦合问题  28
    1.3.4 不确定问题  28-29
  1.4 高超声速飞行控制研究现状  29-35
    1.4.1 飞行控制方法研究现状  29-32
    1.4.2 高超声速飞行控制的研究现状  32-35
  1.5 高超声速飞行器倾斜转弯控制技术  35-38
    1.5.1 BTT控制方式的优势  35
    1.5.2 BTT控制方式的难点  35-36
    1.5.3 高超声速飞行器BTT控制研究现状  36-38
  1.6 本文主要研究内容  38-40
第二章高超声速飞行器建模与分析  40-64
  2.1 引言  40
  2.2 高超声速飞行器模型的描述  40-41
  2.3 基本假设和坐标系  41-44
    2.3.1 基本假设  41-42
    2.3.2 坐标系定义  42-43
    2.3.3 坐标系之间的转换关系  43-44
  2.4 高超声速飞行器非线性数学模型  44-63
    2.4.1 飞行器动力学方程  44-48
    2.4.2 发动机推力和推力矩  48-50
    2.4.3 高超声速飞行器气动特性  50-53
    2.4.4 干扰力和干扰力矩  53-56
    2.4.5 纵向控制模型  56-59
    2.4.6 倾斜转弯控制模型  59-63
  2.5 小结  63-64
第三章高超声速飞行器稳态巡航攻角控制研究  64-85
  3.1 引言  64
  3.2 稳态巡航攻角控制模型  64-67
  3.3 攻角模糊PID控制  67-73
    3.3.1 控制律设计  67-70
    3.3.2 仿真分析  70-73
  3.4 滑模变结构控制概述  73-74
    3.4.1 滑模控制的基本思想  73-74
    3.4.2 滑模控制系统的设计  74
  3.5 攻角模型参考自适应滑模控制  74-79
    3.5.1 控制律设计  75-78
    3.5.2 仿真分析  78-79
  3.6 攻角自适应全局滑模控制  79-83
    3.6.1 控制律设计  79-82
    3.6.2 仿真分析  82-83
  3.7 小结  83-85
第四章高超声速飞行器纵向非线性不确定控制研究  85-108
  4.1 引言  85
  4.2 非线性系统的反馈线性化理论  85-90
    4.2.1 相关数学工具  86-88
    4.2.2 MIMO仿射非线性系统完全线性化的步骤  88-90
  4.3 高超声速飞行器纵向运动模态的输入/输出精确线性化  90-94
    4.3.1 高超声速飞行器纵向运动模型的描述  90-91
    4.3.2 高超声速飞行器纵向模型的精确线性化  91-94
  4.4 纵向匹配不确定性控制问题的研究  94-99
    4.4.1 不确定性匹配条件  94-95
    4.4.2 基于变结构控制理论的纵向控制律设计  95-97
    4.4.3 仿真分析  97-99
  4.5 纵向非匹配不确定性控制问题的研究  99-107
    4.5.1 基于反步变结构控制理论的纵向控制律设计  99-104
    4.5.2 仿真分析  104-107
  4.6 小结  107-108
第五章高超声速飞行器倾斜转弯线性解耦控制研究  108-128
  5.1 引言  108
  5.2 倾斜转弯段线性化模型  108-109
  5.3 倾斜转弯滚转通道自动驾驶仪设计  109-116
    5.3.1 传统滑模控制律设计  110-112
    5.3.2 全局积分滑模控制律设计  112-115
    5.3.3 仿真分析  115-116
  5.4 俯仰/偏航通道多变量频域法解耦设计  116-126
    5.4.1 多变量系统的对角占优理论  116-117
    5.4.2 多变量频域法解耦设计思想  117-118
    5.4.3 俯仰/偏航通道自动驾驶仪设计与分析  118-124
    5.4.4 仿真分析  124-126
  5.5 小结  126-128
第六章高超声速飞行器倾斜转弯非线性解藕控制研究  128-148
  6.1 引言  128
  6.2 高超声速飞行器倾斜转弯非线性模型  128-131
  6.3 全局积分滑模解耦控制  131-140
    6.3.1 不确定性广义匹配条件  131-132
    6.3.2 全局积分滑模解耦控制律设计  132-137
    6.3.3 仿真分析  137-140
  6.4 基于反步法的全局积分滑模解耦控制  140-147
    6.4.1 基于反步法的全局积分滑模解耦控制律设计  140-145
    6.4.2 仿真分析  145-147
  6.5 小结  147-148
第七章结束语  148-153
  7.1 论文主要研究成果  148-151
  7.2 进一步工作展望  151-153
致谢  153-155
参考文献  155-169
作者在学期间取得的学术成果  169

高超声速飞行器巡航控制技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文