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(yùn)動(dòng)過程具有快時(shí)變、強(qiáng)耦合、非線性和不確定性的特點(diǎn)，開展了動(dòng)態(tài)逆控制、滑?？刂坪皖A(yù)測控制等先進(jìn)控制方法的應(yīng)用研究，在考慮制導(dǎo)回路與姿控回路相互影響的條件下開展了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，并通過各飛行階段的六自由度仿真驗(yàn)證了上述幾種控制方法的適用性。
　　基于動(dòng)態(tài)逆控制方法有效解決了高超聲速飛行器非線性與強(qiáng)耦合約束下的控制問題，實(shí)現(xiàn)了縱向運(yùn)動(dòng)模型和三通道姿態(tài)運(yùn)動(dòng)模型的線性化與解耦，得到了相應(yīng)的

2、線性化與解耦模型，為后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。仿真研究表明：動(dòng)態(tài)逆控制方法具有良好的解耦性能。
　　在動(dòng)態(tài)逆控制的基礎(chǔ)上，提出了兩種新的滑?？刂品椒?，分別為基于指令參數(shù)化的滑?？刂品椒ê突赟型函數(shù)的準(zhǔn)終端滑模控制方法，實(shí)現(xiàn)了解耦性與魯棒性的有機(jī)結(jié)合?；谥噶顓?shù)化的滑模控制方法將姿態(tài)角當(dāng)前值引入到姿態(tài)角變化率期望值的計(jì)算式中，根據(jù)姿態(tài)角跟蹤誤差的大小主動(dòng)調(diào)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(dòng)態(tài)響應(yīng)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(shè)計(jì)的自由度，其控制性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)滑模控制方法。基于S型函數(shù)的準(zhǔn)終端滑?？刂品椒ㄔ诨Ｃ嬖O(shè)計(jì)中選取S型非線性函數(shù)，利用其收斂特性可引導(dǎo)系統(tǒng)沿著 S型曲線在指定時(shí)間內(nèi)完成指令調(diào)整過程，不僅保證了終端收斂性，還提高了整個(gè)指令響應(yīng)過程的性能。通過選取恰當(dāng)?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_(dá)運(yùn)動(dòng)階段，使系統(tǒng)具有指令響應(yīng)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(yù)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(yùn)動(dòng)模型分為內(nèi)、外兩層，降低了單個(gè)系統(tǒng)的相對階，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度；同時(shí)，內(nèi)、外兩層預(yù)測控制器均采用具有解析形式的非線性最優(yōu)預(yù)測控制律，計(jì)算量小，可加快指令解算的速度，從而更好地適應(yīng)高超聲速飛行器控制系統(tǒng)的快速性要求。針對較強(qiáng)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(qiáng)了預(yù)測控制系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)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(dǎo)控制系統(tǒng)的整體性能，在考慮制導(dǎo)回路與姿控回路相互影響的條件下，結(jié)合各自實(shí)際動(dòng)態(tài)特性開展了制導(dǎo)控制系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，給出了聯(lián)合設(shè)計(jì)的常用準(zhǔn)則。為了保證制導(dǎo)指令處于姿控回路的控制能力范圍內(nèi)，且為姿控回路留有足夠的控制裕量和響應(yīng)時(shí)間，提出對制導(dǎo)指令進(jìn)行限幅和限速的處理方法。當(dāng)姿控回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力較強(qiáng)時(shí)會(huì)引起舵偏角的大幅快速變化，進(jìn)而引起氣動(dòng)力的大幅變化，嚴(yán)重時(shí)甚至引起制導(dǎo)指令的高頻抖動(dòng)，為了解決這一

6、問題，提出采用適當(dāng)降低姿控回路控制增益或在制導(dǎo)指令計(jì)算中忽略舵偏角的變化等方法降低姿控回路對制導(dǎo)回路的影響，從而提高制導(dǎo)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)的滑模控制方法和分層預(yù)測控制方法均可實(shí)現(xiàn)對制導(dǎo)指令的高精度跟蹤控制，對參數(shù)偏差和干擾具有較強(qiáng)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(shí)變、強(qiáng)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(yīng)用前