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基于高超飞行器柔性模型的预测控制与动态仿真

作　者: 严玲玲
导　师: 李少远
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 高超声速飞行器纵向通道预测控制多模型切换可视化仿真
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

高超声速飞行器在民用和军事领域均具有特殊的意义,因此已经成为各国航空航天领域的研究热点。但与其他飞行器相比,由于其大范围的飞行环境,其动态特性在飞行包络线内极易变化。此外,由于高超声速飞行器采用机体耦合结构以及飞行在高海拔和大马赫数的条件下,导致其对气动条件的变化相当敏感,并且高超声速飞行器在飞行过程中还受到结构动态,推进动态以及它们之间耦合的影响,其气动和推进特性难以估计。这些因素的影响,使得高超声速飞行器的模型具有多变量、强非线性、快时变、不稳定,并且存在输入状态约束等特点,因此,为高超声速飞行器设计出一个保证其稳定飞行及高效指令跟踪的控制器是高超声速飞行器研发过程中的一个关键问题。本文针对高超声速飞行器的特点,研究了预测控制算法在其纵向通道控制中的应用,并给出了控制器设计方法及可视化仿真。在对高超声速飞行器已有建模方法进行综述的基础上,对其纵向通道的运动模型和空气动力学进行了分析,研究了其纵向通道运动方程及气动特性,为后续的控制器设计及仿真研究工作奠定了基础。针对高超声速飞行器的非线性模型,研究了模型线性化方法,分析了其开环系统的特性。针对高超声速飞行器巡航飞行设计了基于状态空间模型的预测控制器,并结合MATLAB进行了仿真实验,仿真结果表明了预测控制算法在高超声速飞行器纵向通道控制中的可行性。针对高超声速飞行器的大包络巡航飞行,研究了两种多模型预测控制器设计方法。一是研究了基于速度切换的多模型预测控制方法,采用改进的切换准则实现了对大范围速度指令信号的快速跟踪。二是研究了基于速度和高度切换的多模型预测控制方法,保证飞行器在飞行速度和高度同时发生大范围变化时,仍然能够实现指令的平稳跟踪,并通过MATLAB仿真验证了控制器设计的有效性。开发了高超声速飞行器可视化仿真平台。首先选用了3Ds Max软件绘制了高超声速飞行器的外观模型,并借助AC3D软件将3Ds Max软件绘制的模型文件转存为AC格式文件且导入到FlightGear飞行模拟器的飞机库中。随后完成了高超声速飞行器多模型预测控制闭环系统SIMULINK程序与FlightGear飞行模拟器的连接,实现了高超声速飞行器的实时可视化仿真。

基于高超飞行器柔性模型的预测控制与动态仿真

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