近空間高超聲速飛行器的線性變參數跟蹤控制.pdf

1、近空間(NearSpace)是指距離地面20～100km的空域。近空間高超聲速飛行器(NearSpaceHypersonicVehicle，NSHV)是各國大力發(fā)展的新型航空航天飛行器。由于其重要的軍事和民用價值，美歐等世界大國都制定了各自的高超聲速飛行器研究計劃。然而我國在近空間高超聲速飛行器方面尚處于起步和預研階段。與傳統意義上的飛行器相比，近空間高超聲速飛行器具有強耦合、多工作模式和大范圍高速機動等特點使得飛行器的建模與控制系統的

2、設計成為極具挑戰(zhàn)性的課題。本文緊密圍繞這一科學前沿課題，對近空間高超聲速飛行器的建模和線性變參數(LPV)跟蹤控制進行了較為深入的研究。主要內容概括如下:
　　 (1)根據國內外公開發(fā)表的研究成果，建立了一類具有三角形機翼、單垂直尾翼的有翼圓錐體近空間高超聲速飛行器的六自由度數學模型。這種翼身組合體的氣動外形具有較高的升阻比和機動性，可提高落點精度;為不失一般性，考慮在空氣稀薄再入階段特殊環(huán)境下的控制問題，設計了開關型噴流反作用

3、控制系統，氣動舵面與反作用控制系統配合實現飛行器的控制;分析了該類近空間高超聲速飛行器的動力學特性和開環(huán)耦合特性，仿真驗證表明本文建立的數學模型能夠體現出近空間高超聲速飛行器復雜的非線性、耦合性以及快時變性等特點;為該類飛行器的控制系統設計提供了較為完整的非線性模型，可以作為研究該類近空間高超聲速飛行器軌跡優(yōu)化、姿態(tài)控制等問題的仿真平臺。
　　 (2)針對近空間高超聲速飛行器的縱向運動系統和姿態(tài)系統，分別選擇能夠表征飛行器動態(tài)特

4、征的飛行速度、高度和馬赫數、動壓作為調度變量，利用Jacobian線性化和T-P模型轉化的方法，建立了高超聲速飛行器縱向運動的多胞LPV模型和姿態(tài)多胞LPV模型。為了驗證建立的多胞LPV模型是否具有原始非線性模型的非線性特征，我們首先研究了縱向運動模型和姿態(tài)模型的開環(huán)仿真驗證;再次，在不考慮彈性模態(tài)影響的情況下，研究了剛體高超聲速飛行器縱向多胞LPV模型的單工作點多目標最優(yōu)H2/LQR控制仿真驗證。仿真驗證結果表明本文建立的多胞LPV模

5、型捕獲了原始非線性模型的非線性特性且可以作為控制器的設計模型。
　　 (3)針對建立的高超聲速飛行器縱向運動多胞LPV模型，提出了一種多胞線性變參數跟蹤控制方法。該方法通過求解線性不等式(LMI)約束分別求解速度和高度跟蹤控制器，設計的控制器保證了高超聲速飛行器閉環(huán)系統的H2性能指標。與傳統線性變參數控制方法相比，我們的方法大大地減少了求解線性矩陣不等式的個數，降低了控制器設計的難度。非線性數值仿真驗證說明了該方法的有效性。

6、r>　　 (4)分別基于單一Lyapunov函數方法和多Lyapunov函數方法，提出了近空間高超聲速飛行器的LPV切換跟蹤控制方法。首先，將高超聲速飛行器的飛行包線劃分為四個子區(qū)域，針對每個劃分的子參數區(qū)域，分別利用單一Lyapunov方法和多Lyapunov方法設計LPV狀態(tài)反饋跟蹤控制器;然后，根據調度參數的值定義一個切換特征函數并以此來切換設計的LPV控制器，從而實現飛行器在整個飛行包線內的全局穩(wěn)定控制和滿足指定的速度和高度跟

7、蹤性能指標;最后，非線性數值仿真結果說明了提出方法的有效性。
　　 (5)針對近空間高超聲速飛行器的縱向運動動態(tài)，提出了一種基于觀測器的LPV輸出反饋跟蹤控制方法?？紤]到高超聲速飛行器的部分狀態(tài)不可測，我們設計一種LPV狀態(tài)觀測器在線觀測飛行器的狀態(tài)變量，然后，利用在線觀測到的飛行器狀態(tài)信息，針對每個劃分的參數子區(qū)域分別設計基于觀測器的LPV輸出反饋跟蹤控制器并通過定義的切換特征函數進行切換，通過求解一組LMIs得到控制器增益的