高超聲速巡航飛行器姿態(tài)控制方法研究.pdf

1、本文以高超聲速巡航飛行器為研究對象，針對其運動過程具有快時變、強耦合、非線性和不確定性的特點，開展了動態(tài)逆控制、滑模控制和預測控制等先進控制方法的應用研究，在考慮制導回路與姿控回路相互影響的條件下開展了制導控制系統(tǒng)的聯(lián)合設計，并通過各飛行階段的六自由度仿真驗證了上述幾種控制方法的適用性。
　　基于動態(tài)逆控制方法有效解決了高超聲速飛行器非線性與強耦合約束下的控制問題，實現(xiàn)了縱向運動模型和三通道姿態(tài)運動模型的線性化與解耦，得到了相應的

2、線性化與解耦模型，為后續(xù)控制系統(tǒng)設計奠定了基礎。仿真研究表明：動態(tài)逆控制方法具有良好的解耦性能。
　　在動態(tài)逆控制的基礎上，提出了兩種新的滑?？刂品椒ǎ謩e為基于指令參數(shù)化的滑?？刂品椒ê突赟型函數(shù)的準終端滑模控制方法，實現(xiàn)了解耦性與魯棒性的有機結合?；谥噶顓?shù)化的滑模控制方法將姿態(tài)角當前值引入到姿態(tài)角變化率期望值的計算式中，根據姿態(tài)角跟蹤誤差的大小主動調節(jié)姿態(tài)角變化率期望值的大小，有效提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)響應能力。該方法不僅

3、提高了已知信息的利用率，還增加了控制系統(tǒng)設計的自由度，其控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)滑?？刂品椒?。基于S型函數(shù)的準終端滑?？刂品椒ㄔ诨Ｃ嬖O計中選取S型非線性函數(shù)，利用其收斂特性可引導系統(tǒng)沿著 S型曲線在指定時間內完成指令調整過程，不僅保證了終端收斂性，還提高了整個指令響應過程的性能。通過選取恰當?shù)目刂茀?shù)，使得滑模函數(shù)近似為零，則可基本消除滑?？刂频牡竭_運動階段，使系統(tǒng)具有指令響應的全程魯棒性。
　　為了滿足高超聲速飛行器控制系統(tǒng)的快速

4、性和魯棒性要求，提出了一種分層預測控制方法。該方法通過引入中間控制量將高超聲速飛行器姿態(tài)運動模型分為內、外兩層，降低了單個系統(tǒng)的相對階，提高了控制系統(tǒng)的響應速度；同時，內、外兩層預測控制器均采用具有解析形式的非線性最優(yōu)預測控制律，計算量小，可加快指令解算的速度，從而更好地適應高超聲速飛行器控制系統(tǒng)的快速性要求。針對較強非線性、外界干擾及不確定性等因素的影響開展了反饋校正方法研究，增強了預測控制系統(tǒng)的魯棒性，實現(xiàn)了高超聲速飛行器不確定條件

5、下的高精度姿態(tài)控制。
　　為了提高制導控制系統(tǒng)的整體性能，在考慮制導回路與姿控回路相互影響的條件下，結合各自實際動態(tài)特性開展了制導控制系統(tǒng)的聯(lián)合設計，給出了聯(lián)合設計的常用準則。為了保證制導指令處于姿控回路的控制能力范圍內，且為姿控回路留有足夠的控制裕量和響應時間，提出對制導指令進行限幅和限速的處理方法。當姿控回路的動態(tài)響應能力較強時會引起舵偏角的大幅快速變化，進而引起氣動力的大幅變化，嚴重時甚至引起制導指令的高頻抖動，為了解決這一

6、問題，提出采用適當降低姿控回路控制增益或在制導指令計算中忽略舵偏角的變化等方法降低姿控回路對制導回路的影響，從而提高制導控制系統(tǒng)的整體性能。
　　研究表明，基于指令參數(shù)化的滑?？刂品椒?、基于S型函數(shù)的滑?？刂品椒ê头謱宇A測控制方法均可實現(xiàn)對制導指令的高精度跟蹤控制，對參數(shù)偏差和干擾具有較強的魯棒性。上述幾種控制方法有效解決了高超聲速飛行器快時變、強耦合、非線性和不確定條件下的穩(wěn)定控制問題，對高超聲速飛行器是適用的，具有較好的應用前