高超声速飞行器的动态滑模飞行控制器设计

基于高超声速航空飞行器的纵向动力学,提出了一种基于动态滑模原理的飞行控制器。在将模型进行输入/输出线性化的基础上,构造辅助的滑模变量,求取了滑模控制量,实现了动态滑模控制的两阶段收敛。证明了传统滑模面以及辅助滑模面有限时间内的收敛特性,并给出了控制器参数所满足的条件。该方法对不连续的控制量输出加以积分作用,有效地降低了普通滑模控制器的抖振现象。在33 528 m高度和马赫数15的平稳巡航条件下的仿真研究表明：与普通滑模控制器相比,动态滑模有效降低了抖振,并且对参数不确定模型具有更好的鲁棒性。     

具有非线性扰动运动特性的高超声速飞行器动态特性分析方法

常规基于小扰动线性化处理的建模方法,忽略了参数偏差的高阶项,很可能造成高超声速飞行器高动态环境下扰动运动模型的不准确.针对此问题,提出了保留运动参数偏差二阶高次项的非线性扰动运动模型的建立方法;应用常微分方程理论,给出了具有非线性扰动运动模型的飞行器动态特性分析方法;针对参数变化不大和有较大变化参数的典型特性点进行了验证分析.结果表明,对于扰动量不大的特性点,基于线性扰动运动模型的稳定性与非线性扰动运动模型的稳定性分析结果一致;对于扰动量较大的特性点,基于线性扰动运动模型的稳定性与非线性扰动运动模型的稳定性分析结果存在差异.在对具有大动态环境的飞行器特性点进行动态分析时,必须要考虑模型的非线性影响.     

高超声速飞行器高阶纵向模型的控制器设计和性能分析仿真

采用高阶模型,对于给定的纵向飞行模型,考察其在巡航飞行状态下,升降副翼偏转的纵向分量出现小扰动时的时间响应,并通过极点配置方法,使用三重PID控制器分别优化它的稳定性、收敛速度和其他飞行性能指标,并对此控制器的效率和适用条件进行了讨论,通过数学仿真证明控制器能得到较好的控制效果和适应性.     

吸气式高超声速飞行器控制研究综述

吸气式高超声速飞行器控制系统的任务是在飞行包线内通过发动机提供的推力改变飞行速度并利用气动舵面偏转调整飞行姿态,控制飞行器精确跟踪制导指令。通过探讨高超声速飞行器的动力学特性,从系统建模和控制策略研究两个方面对高超声速飞行器的控制系统设计研究现状进行了分析和阐述,所得结论可为相关研究提供借鉴与参考。     

美国考虑研制高超声速飞行器

美国国防高级研究计划局正在探索是否着手研制可在高层大气层中“跳跃”飞行的高超声速可重复使用飞行器。这种飞行器能在 2h内飞行 2 0 0 0km ,将军用有效载荷运送到世界任何地方。这种飞行器装备武器后可实施远程快速打击 ,同时也可兼作两级入轨发射装置的第一级。这一概念并不是新近提出的 ,劳伦斯 利弗莫尔国家实验室的工程技术人员早在几年前就萌发了这一设想 ,他们认为在大气层中跳跃飞行是扩大飞行器航程的有效方法。在经过几年的深思熟虑后 ,国防高级研究计划局似乎准备把这一概念从图纸转变成演示器。这种高超声速飞行器称作Hype…     

高超声速飞行器时间最短弹道优化设计

通过极大值原理推导出时间最短弹道优化问题的必要条件和边值条件.采用遗传算法和邻近极值法求解了最优控制的两点边值问题.从次优化弹道得到攻角的变化规律,再从次优化弹道估计出初始伴随变量的范围,用遗传算法在此范围内优化初始伴随变量找到全局近似最优值,再用邻近极值法满足边值条件和约束条件.算例求解了满足热流和过载约束的最短时间弹道,与次优化弹道进行比较,可知用最优控制方法得到的最短飞行时间小于次优化方法得到的最短飞行时间.     

基于非线性函数的高超声速飞行器容错控制

本文针对存在外部扰动、模型参数不确定性和执行器故障情形下的高超声速飞行器跟踪问题进行了研究分析。首先,引入辅助误差变量,将反馈线性模型转为带干扰的一般多变量二阶系统。其次,基于被动容错思想,通过引入一个新型的连续可微的非线性函数,采用自适应技术估计执行器故障信息,设计了自适应非线性故障容错控制器,并借助于Barbalat引理和李雅普诺夫理论对闭环系统的稳定性进行了证明。最后,对所设计的控制器进行模拟仿真,结果表明所设计的控制器具有强鲁棒性和容错能力。     

X43飞行器准备进行高超声速飞行试验

超－Ｘ研究计划是ＮＡＳＡ一项为期５年的项目，旨在研究适用于超声速飞行器的吸气式发动机技术。美国的Ｘ－４３高超声速实验飞行器即将完成研制，而且装备超燃冲压发动机的Ｘ－４３飞行器将于２０００年进行首次飞行试验，这将是世界上首次对吸气式发动机的自由飞行演示。     

基于加速度测量的高超声速飞行器抗干扰控制

针对吸气式高超声速飞行器气动特性复杂且不确定性强的特点,提出了一种基于加速度测量信号,包括内、外双回路设计的反步抗干扰控制方案。外回路在反步法中引入传感器所测加速度信号,并设计非线性干扰观测器对复合干扰进行观测与补偿;内回路设计采用基于奇异摄动理论的动态逆方法,利用Lyapunov理论证明了系统的一致最终有界。该控制方案均基于传感器可以直接测得的信号构成控制,对气动参数不确定鲁棒性强,且通过干扰观测进一步提高系统抗干扰能力。仿真结果表明,反步抗干扰控制方案在强不确定性与外部干扰条件下,可获得理想的控制效果。     

临近空间高超声速飞行器建模与控制研究进展

临近空间飞行器的发展涉及国家安全与空间和平利用,是目前国际空间技术发展的焦点之一。本文介绍了高超声速飞行器的发展及其建模与飞行控制的研究现状和进展,分析了高超声速飞行器动力学特性、耦合特性以及各种不确定性问题,提出了高超声速飞行器建模与控制的解决思路,为相关研究提供借鉴与参考。     

高超声速飞行器单因素椭圆集序列鲁棒预测控制方法

针对高超声速飞行器非线性、快时变、硬约束、大扰动和对象模型不确定性大等特点,研究离线鲁棒预测控制器的设计方法.在线鲁棒预测控制方法可以处理对象模型的不确定性,但是计算量大;常规离线鲁棒预测控制方法减小了在线计算量,但是牺牲了系统的调节时间等性能.提出基于单因素椭圆集序列的鲁棒预测控制策略,针对系统状态的m组一维子空间,运用常规离线鲁棒预测控制生成m组椭圆不变集序列,将在线优化转化成为在m组椭圆不变集中分别搜索当前状态所处最大椭圆不变集,最后通过简单的融合计算得到对应的控制律.该方法保证系统鲁棒性的同时,大幅度减少了在线计算时间,提高了系统响应速度.仿真算例验证了该方法的有效性.     

一种改进的微型飞行器非线性动态逆解耦控制研究

针对微型飞行器在低雷诺数条件下具有明显的非线性、非定常及强耦合的特性,研究了一种改进的非线性动态逆与比例积分相结合的MAV非线性解耦控制方法。首先,应用奇异摄动理论对MAV进行时标分离,研究快、慢状态子系统的控制器设计;其次,将比例积分环节引入控制器中,以消除非线性对消误差带来的影响;最后,对系统进行了仿真验证,仿真结果表明非线性动态逆与比例积分结合的方法能够有效实现MAV的解耦控制,具有实用价值。     

基于扰动观测器的高超声速飞行器递阶滑模控制

针对存在扰动、执行机构死区非线性以及系统不确定性的高超声速飞行器巡航飞行纵向通道模型,提出了带有新型非线性扰动观测器的递阶滑模控制器。递阶滑模控制器采用多层终端滑模面的回归结构,能够保证系统跟踪误差在有限时间内收敛到0. 将执行机构的死区非线性简化为输入的未知扰动,对于系统中存在的由扰动和不确定性产生的复合扰动,设计了新型非线性扰动观测器,补偿作用避免了通过增大系统增益提高控制系统抗扰动性能,同时观测器可以对死区非线性产生的系统扰动进行观测,消除死区非线性对控制系统的影响。理论证明了观测值误差为渐进收敛。基于Lyapunov理论对带有扰动观测器的综合控制系统进行稳定性证明。理论分析和仿真结果表明,该控制策略对高超声速飞行器具有较好的控制作用。     

高超飞行器的非线性预测姿态控制

针对高超飞行器姿态动力学模型多约束、多变量耦合和非线性的特点,采用预测控制理论设计了时变自适应控制器.根据奇异摄动理论将复杂的动力学分解为快慢内外环动力学,直接对非线性系统伪线性化建模,把非线性优化问题转化为线性时变系统的次优化;将指标约束、输入约束、稳定约束转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,在线滚动优化求解预测反馈控制律.结果表明,该控制方案保证了闭环系统的稳定性.     

基于SDRE方法的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器的姿态运动中强耦合的现象,利用动稳定判据,得到飞行器的控制需求。采用状态相关黎卡提方程(State-Dependent Riccati Equation,SDRE)方法进行控制,并且与传统的PID控制方法设计的控制器进行对比分析。仿真结果表明SDRE方法具有一定的鲁棒性,较PID方法有一定的优势。     

基于非线性动态逆的水下运载器控制方法研究

针对水下运载器具有强非线性、强耦合、多输入多输出、水动力作用复杂以及姿态变化剧烈等特点,设计了一种非线性动态逆控制系统,解决了传统控制器设计方法在线性化过程中因忽略非线性因素带来局限性的问题。通过慢回路姿态控制器和快回路姿态控制器的设计解决了水下运载器非线性、强耦合以及多输入多输出的问题,并且运用Lyapunov 稳定性分析证明了控制器的稳定性。控制方法跟踪单位阶跃信号时稳态时间为1 s,超调量为4%,较PID 控制的动态特性有较大提升。非线性控制系统仿真结果表明该控制器对于依30%水动力参数不确定性具有一定的鲁棒性。摇摇     

具有不确定性的高超声速飞行器自适应反演控制

针对飞行器存在气动参数较大的不确定性和外界强干扰的问题,研究了临近空间高超声速飞行器的飞控系统设计问题.首先建立考虑干扰的动力学模型,其次给出一种自适应反演控制律的推导过程,该控制律基于反演思想,并在每一步计算中利用自适应调节函数补偿未知干扰,通过Lyapunov理论对系统稳定性进行证明,最后仿真结果证明了该控制律的有效性和可行性.     

双燃烧室冲压发动机为动力的高超声速飞行器

介绍了双燃烧室冲压发动机的研究进展及特点,并较详细地论述了以双燃烧室冲压发动机为动力的高超声速飞行器的主要技术,对其机理研究和工程应用有一定的参考价值.     

基于隐式增量动态逆的水下运载器出水姿态控制

显式动态逆控制直接利用非线性对消来实现对系统的精确线性化,但由于实际模型存在不确定性因而会造成在对消过程中存在逆误差,使得控制的鲁棒性难以保证。在解决水下运载器出水运动问题中,由于存在较强的不确定性,显式动态逆控制无法消除逆误差的影响。出水过程中水动力变化剧烈同时海浪强烈作用,因此需要对姿态控制问题进行着重研究。在仿射形式的水下运载器出水运动数学模型基础上,推导并得到了隐式增量形式的动态逆控制律,利用层叠结构思想将系统划分为慢快两个回路。在时标分离的慢快回路基础上,引入状态变化率反馈,设计了不依赖精确数学模型的隐式增量控制律,提高了控制的鲁棒性。基于隐式动态逆相应的控制算法,考虑海浪作用、水动力参数摄动以及测量噪声的影响下,对水下运载器出水姿态进行跟踪控制,验证了控制律的有效性和合理性。