面向控制的弹性高超声速飞行器建模方法研究

高超声速飞行器广泛采用升力体、乘波体等气动布局和轻质材料,导致飞行器刚体模态与弹性模态的耦合问题突出。针对该类飞行器的特点,使用有限元方法基于变截面自由梁构建高超声速飞行器的结构弹性模型,利用当地流活塞理论计算弹性变形引起的非定常气动力,然后借助均匀设计、逐步回归等统计学方法获取弹性高超声速飞行器的高精度曲线拟合模型。仿真对比分析表明,所介绍的高超声速飞行器弹性建模方法高效、可靠,其所建立的曲线拟合模型与原始物理模型的一致程度及精度均优于现有拟合模型,而所消耗的时间与计算机资源小于现有建模方法。     

高超声速飞行器快速平滑自适应二阶滑模控制

为解决高超声速飞行器在爬升的过程中存在严重匹配/非匹配不确定性的问题,提出了一种新型的自适应超螺旋滑模控制方法以抑制爬升段存在的匹配不确定性,并将该方法与滑模微分器相结合,以解决爬升段存在的非匹配不确定性.首先用滑模微分器估计反馈线性化模型中速度和高度的各阶导数,以缩小反馈线性化模型与原模型的差距;其次在传统超螺旋滑模的基础上,加入线性项以提高收敛速度;将积分项中不连续的符号函数连续化,保证控制输入的平滑性,更大程度削弱抖振;针对未知上界复合干扰,设计了一种自适应参数可增大可减小的自适应律,保证参数既不过大估计,又可放宽初值的选取,保证收敛速度. 仿真结果表明:改进后的控制方法可实现状态量在有限时间内跟踪上指令信号,完成控制要求;且相较于传统超螺旋滑模控制算法,改进的控制方法控制输入更加平滑,收敛速度更快,从而验证了该方法的有效性以及先进性.     

高超声速飞行器自适应固定时间抗饱和控制

针对参数不确定和外界干扰下的高超声速飞行器的控制问题,本文提出了一种自适应固定时间控制方法。采用反馈线性化方法对高超声速纵向动力学模型进行输入输出线性化,并基于固定时间控制理论针对该线性模型分别设计了速度和高度通道的固定时间自适应高阶滑模控制器,提高了系统的收敛速度。对于执行器饱和问题,设计了一种新型抗饱和辅助系统并引入控制器中。基于李雅普诺夫理论对所设计的控制器进行严格证明,得到了闭环系统的固定时间收敛特性。与现有文献高阶滑模控制方法进行仿真对比实验,验证了本文所设计方法的有效性和鲁棒性。     

弹性高超声速飞行器多胞鲁棒变增益控制

现有的高超声速飞行器控制系统设计方法在处理大包线飞行参数变动时计算复杂度较高,且较少考虑结构弹性的影响。针对上述问题,提出了一种基于张量乘积(TP)模型转换和可测状态反馈的多胞鲁棒变增益控制方法。其首先使用TP模型转换方法获取系统的多胞模型,然后基于线性矩阵不等式求解系统的多胞鲁棒变增益控制器。在求取控制器时,为简化控制器结构及降低控制器阶数,将弹性模态视为外部干扰,仅通过实际可测的刚体状态参数作为反馈量来设计控制器。仿真结果表明,所设计的多胞鲁棒变增益控制器可实现参考指令的有效跟踪,并保证整个包线范围内弹性模态稳定。     

高超声速飞行器机动飞行受限控制方法研究

吸气式高超声速飞行器飞行过程中舵偏不能过大,攻角、角速率等飞行状态必须满足约束,这既是超燃冲压发动机工作条件的要求,也是为了减小飞行器状态散布。针对吸气式高超声速飞行器进行高度控制时,飞行器状态和舵偏必须满足约束的实际问题,引入指令调节器进行高度回路设计。基于PI+LQ方法设计过载控制器,利用高度回路的比例-微分产生过载信号,过载信号经过指令调节器生成调节指令,过载控制器跟踪该指令完成高度跟踪。仿真结果表明,该方法设计的控制系统在阵风干扰情况下能够满足状态约束并实现快速跟踪。     

非最小相位高超声速飞行器自适应鲁棒容错控制

针对具有非最小相位特性的高超声速飞行器纵向动力学模型,考虑舵面发生卡死和失效故障、系统参数不确定的问题,提出了一种基于输出重定义形式的自适应鲁棒容错控制方法。对于高度子系统中由于升降舵和升力耦合产生的不稳定内动态,重定义系统输出,将俯仰角作为系统新的输出,对新内动态进行一些坐标变换,设计出俯仰角期望的跟踪指令。对于系统重定义后的高度和速度子系统,将未知非线性函数参数化并写成未知气动参数和函数向量的乘积形式,采用自适应学习律估计未知气动参数和故障参数,基于Lyapunov稳定性定理进行了系统稳定性理论分析,通过仿真验证了所给方法的有效性。     

高超声速飞行器的模型预测控制

将模型预测控制方法应用于高超声速飞行器纵向通道的姿态控制中。利用模型预测的在线滚动优化推导系统的最优控制律,得到高超声速飞行器纵向通道的姿态控制器。仿真结果表明,在气动参数大范围摄动的情况下,控制系统能够很好地跟踪期望攻角,并且具有较强的鲁棒性。     

高超声速飞行器的非线性预测控制

针对高超声速飞行器非线性、多变量、强耦合的特征,将广义预测控制应用于其纵向模型的控制中。对模型进行输入输出反馈线性化,利用基于泰勒展开的有限时间预测控制方法,设计轨迹跟踪预测控制律,使其飞行的高度和速度跟踪控制指令。通过matlab仿真验证了该方法在参数不确定性的条件下,具有一定的鲁棒性,能满足系统的性能要求。     

非匹配不确定的弹性高超声速飞行器终端滑模控制

为解决带有非匹配不确定的弹性高超声速飞行器(FHV)鲁棒跟踪控制问题,设计一种基于有限时间干扰观测器的非奇异终端滑模控制器.首先,通过将弹性模态的影响视为不确定,与系统参数不确定一起处理为综合不确定,将带有弹性的高超声速飞行器模型简化为便于控制器设计的面向控制模型;其次,设计有限时间干扰观测器估计模型的综合不确定;进而,基于干扰观测器,设计一种新型的非奇异终端滑模面,将高阶不匹配问题转化成一阶匹配问题,进行控制器的设计;最后通过Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:所设计的控制器可以有效抑制非匹配不确定及弹性的影响,实现了飞行器速度与高度的稳定跟踪控制.     

高超声速飞行器滑模自适应迭代学习控制系统设计

针对高超声速飞行器再入过程中的强耦合和干扰所带来的非匹配不确定控制问题,提出一种新型自适应迭代学习控制系统的设计方法。研究结合采用先进控制方法与迭代学习控制策略。首先给出面向控制的高超声速飞行器姿态模型。然后针对一类非线性系统,提出一种结合滑模控制的新型迭代学习控制系统设计方法,并将其应用到所提出的面向控制的姿态模型。最后应用Lyapunov泛函来证明闭环系统跟踪误差的收敛性和变量的有界性。仿真展示所提方法能使飞行器快速稳定地跟踪指令,对比传统滑模控制说明本方法具有针对气动不确定项和干扰项的强鲁棒性。     

高超声速飞行器成像算法

高超声速飞行器是目前各国航空航天发展的重点．搭载其上的合成孔径雷达成像系统面临两方面的问题：一个是多普勒与快时间的耦合,另一个是斜视成像的校正问题．借鉴调频连续波合成孔径雷达的几何模型,提出了一种去耦合的扩展的频域变标成像算法,可在一定的斜视角下解耦合并且无失真高精度成像．     

考虑进气道不起动的高超声速飞行器鲁棒自适应控制研究

针对吸气式高超声速飞行器进气道不起动引起飞行器气动特性大范围变化,从而导致响应出现大幅振荡甚至控制系统失稳的问题,提出了一种考虑进气道不起动影响的模型参考自适应控制方法。该方法首先针对进气道起动时的模型,设计了基于LQR-PI方法的姿态控制系统,并以此作为进气道不起动时的参考模型;当进气道不起动时,在LQR-PI基准控制器的基础上增加模型参考自适应控制项,通过跟踪参考模型以提高系统对进气道不起动引起模型偏差的鲁棒性,在进气道出现不起动的情况下能快速稳定姿态,为进气道再起动提供条件。最后对所提方法进行了数字仿真,结果表明,系统在进气道出现不起动时能够快速跟踪控制指令,且稳态误差趋于零,验证了所提方法的有效性。     

放宽静稳定性高超声速飞行器的增稳控制方法

放宽静稳定性可以解决高超声速飞行器在高超声速飞行时正稳定裕度过大的问题,但是会造成亚声速飞行阶段飞行器稳定性下降。针对高超声速飞行器在亚声速飞行时稳定性不足的问题,采用经典反馈控制和LQ最优控制方法,设计了2种不同的增稳控制系统并应用于放宽静稳定后的高超声速飞行器。数值仿真结果表明,LQ最优控制增稳系统较经典反馈增稳控制系统具有更好的动态增稳效果和更强的鲁棒性能,因此LQ最优控制下的增稳系统拥有更好的增稳效果和更理想的抗鲁棒特性。     

高超声速飞行器连续终端滑模姿态控制方法

针对高超声速飞行器的姿态控制问题,考虑系统模型不确定性以及外界干扰的影响,基于快速终端滑模设计了连续的姿态跟踪控制器。将飞行器姿态控制系统模型按时间尺度划分为快回路和慢回路,其中慢回路的控制器设计目标是给出期望角速度作为快回路的制导指令,快回路控制器的设计目标是给出系统需求的控制力矩。基于有限时间控制理论分别针对各回路设计了连续的快速终端滑模姿态控制器,通过严格的数学证明,该控制器可以在系统模型存在不确定性以及外界干扰的情况下,使得姿态跟踪误差在有限时间内收敛。仿真结果表明本文的控制算法可以在短时间内使飞行器的姿态角均以较高的精度收敛至期望状态,且三个方向的控制力矩曲线均变化平滑,无抖振现象产生。     

基于滑模控制的高超声速飞行器的轨迹控制

针对高度非线性、多变量、强耦合的高超声速飞行器的纵向模型,设计了飞行控制系统。首先对其进行输入/输出线性化,然后,选择2个解耦的滑动面,以改进的符号函数作为到达条件,设计了一种多输入多输出滑模变结构控制器。分别研究了飞行器对速度和高度阶跃指令下的响应,对标称模型和含有大范围时变参数模型进行了仿真研究。仿真结果表明该方法在存在参数不确定性的条件下,具有较强的鲁棒性能,能够满足系统的性能要求。     

高超声速飞行器动态输出反馈最优跟踪控制

采用非线性前馈加线性反馈控制结构,利用伴随法生成最优上升轨迹,设计输出反馈控制律与输出跟踪控制律,证明其有条件渐近稳定;实现高超声速飞行器上升段的最优跟踪控制,将系统能观测和不能观测部分分离,降低了对传感测量系统的要求.仿真结果表明,该组合方法能够实现高超声速飞行器的最大能量爬升,同时能够实现对最优上升轨迹的稳定跟踪.     

基于LESO的高超声速飞行器动态面控制

针对含模型不确定性和外部扰动的高超声速飞行器纵向运动模型,提出了一种基于线性扩张状态观测器的动态面控制方法。采用非线性动态逆技术实现了高超声速飞行器高度和速度通道的解耦;结合传统反演设计方法,引入一阶低通滤波器求取虚拟控制量的微分,避免了"微分爆炸"的问题;设计线性扩张状态观测器,实现了对模型不确定性和外部扰动等组成的"总和扰动"的精确估计,显著提高了系统的扰动抑制能力;利用Lyapunov理论进行闭环稳定性分析。仿真结果表明,所提出控制器参数配置简单,对参数不确定性和外部扰动等有较强的鲁棒性,具有良好的指令跟踪效果。     

吸气式高超声速飞行器控制的最新研究进展

随着超燃冲压发动机技术的快速发展,吸气式高超声速飞行器正受到世界范围内的高度关注,而其控制系统的设计则是重中之重.首先简要回顾了吸气式高超声速飞行器建模的发展,表明了对其进行控制器设计的复杂性;然后着重阐述了几种广泛应用于吸气式高超声速飞行器的控制方法:基于线性化模型的控制方法、反向递推法、T-S模糊控制方法、自适应控制和滑模变结构控制;最后指出了在控制器设计环节需要考虑的若干问题,例如:执行机构的非线性、容错控制、多目标控制、切换控制等,同时也是今后吸气式高超声速飞行器控制系统设计的研究方向.     

一种高超声速飞行器攻击意图预测方法

针对高超声速飞行器具有高机动性难以对其飞行轨迹进行预测的问题,提出一种基于高超声速目标运动特性的攻击意图预测方法。首先分析了高超声速飞行器的3种运动特性:飞行器运动状态的马尔可夫过程模型、航迹偏航角和可达区域; 然后采用动态贝叶斯网络的推理方法对高超声速飞行器与攻击目标之间的攻击关系进行推理,以实现攻击意图预测; 最后进行了仿真实验。实验结果表明, 基于运动特性的动态贝叶斯网络能够对攻击意图进行预测,提出的意图预测方法具有良好的实时性和有效性。     

滑翔式高超声速飞行器H_∞回路成形控制

为了解决滑翔式高超声速飞行器大攻角侧向机动时高精度高稳定性的控制要求,针对该过程中存在的多个不确定因素和控制耦合,对耦合特性进行分析,建立面向控制的滑翔式高超声速飞行器动力学模型。利用H∞回路成形设计方法设计了控制器,并提出了一种期望传递函数的选取方法。最后对所设计的控制系统进行三通道联合仿真。结果表明该控制系统满足滑翔式高超声速飞行器大攻角侧向机动的控制要求。