高超聲速飛行器系統(tǒng)的非線性控制方法研究.pdf

1、高超聲速飛行器是一種新型航空航天飛行器，有著重要的軍事價值和民用價值，近年來受到了各軍事大國的廣泛關(guān)注.高超聲速飛行器系統(tǒng)具有多變量、強(qiáng)耦合、嚴(yán)重非線性等復(fù)雜特征，為這樣一類系統(tǒng)設(shè)計控制器是一件極具挑戰(zhàn)性的課題.圍繞這一課題，本文在高超聲速飛行器的非線性控制器設(shè)計方面展開深入的研究，主要內(nèi)容如下:
　　 (1)對于存在外部干擾情況下的高超聲速飛行器縱向模型的跟蹤控制問題，提出了基于有限時間反饋控制和非線性干擾觀測器(Nonlin

2、ear disturbance observer, NDOB)前饋補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制策略.首先，根據(jù)縱向模型的特點(diǎn)，把系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng):高度子系統(tǒng)和速度子系統(tǒng).然后，對于每個子系統(tǒng)，把一些非線性耦合項(xiàng)看作系統(tǒng)的內(nèi)部干擾和外部干擾組成系統(tǒng)的集總干擾，并且利用NDOB來估計集總干擾，相應(yīng)的估計值用來前饋補(bǔ)償.同時，為了進(jìn)一步提高閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾能力，反饋控制律采用連續(xù)的有限時間控制律.此復(fù)合控制策略可保證系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定地跟蹤參考信號.仿真結(jié)果

3、驗(yàn)證了所提的復(fù)合控制方法比傳統(tǒng)的控制方法有更好的收斂和抗干擾性能.
　　 (2)利用有限時間積分滑模反饋控制和NDOB前饋補(bǔ)償進(jìn)一步研究了帶有外部干擾的高超聲速飛行器縱向模型的跟蹤控制問題.首先，借助有限時間積分滑模控制方法，給出了一種有限時間積分滑?？刂破?然而，滑?？刂破髦械那袚Q增益需大于干擾的上界，在系統(tǒng)存在強(qiáng)干擾時，高的切換增益使得閉環(huán)系統(tǒng)抖振現(xiàn)象更加惡化.為了減弱抖振，給出了一種引入了基于NDOB前饋補(bǔ)償?shù)挠邢迺r間積分

4、滑?？刂破?而改進(jìn)的滑模控制器的切換增益只需大于干擾補(bǔ)償誤差的上界，這樣就大大減弱了閉環(huán)系統(tǒng)的抖振又不犧牲閉環(huán)系統(tǒng)的抗干擾性能.最后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制算法的有效性.
　　 (3)研究了帶不匹配干擾的高超聲速飛行器縱向模型的跟蹤控制問題.首先，借助back-stepping方法和NDOB前饋補(bǔ)償設(shè)計，研究了一類帶有不匹配干擾的非線性系統(tǒng)的復(fù)合控制器設(shè)計.復(fù)合控制器的設(shè)計與傳統(tǒng)的back-stepping控制器設(shè)計的不同之處在

5、于:在每一步的虛擬控制律設(shè)計中引入了干擾估計值來補(bǔ)償不匹配干擾.利用Lyapunov函數(shù)方法，分析了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.此復(fù)合控制器可以保證系統(tǒng)的輸出漸近收斂到零.接著，利用所得的結(jié)果應(yīng)用到高超聲速飛行器縱向模型的跟蹤控制問題上.最后通過仿真比較，驗(yàn)證了所提方法在存在不匹配干擾時仍能夠獲得良好的性能.
　　 (4)研究了存在外部干擾和執(zhí)行器故障情況下的高超聲速飛行器縱向模型的容錯控制策略.首先，利用有限時間積分滑?？刂品椒ㄔO(shè)計了有

6、限時間積分滑模容錯控制策略.然而，此策略需要知道外部干擾的上界和執(zhí)行器效率因子的最小值.其次，給出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)容錯控制策略，其中外部干擾的上界和執(zhí)行器效率因子的最小值是通過自適應(yīng)控制技術(shù)得到的.因而，改進(jìn)的控制策略不需要執(zhí)行器故障的任何信息.最后，仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提的容錯控制器對執(zhí)行器故障有良好的容錯能力.
　　 (5)研究了存在外部干擾、執(zhí)行器故障和執(zhí)行器輸入飽和情況下的高超聲速飛行器縱向模型的跟蹤控制問題.首先，考慮存

7、在外部干擾和執(zhí)行器故障時的高超聲速飛行器縱向模型的容錯跟蹤控制問題，給出了一種需要外部干擾和執(zhí)行器效率因子信息的容錯控制策略.接下來，設(shè)計了一種改進(jìn)的自適應(yīng)容錯控制策略，在此方法中，兩個自適應(yīng)律分別用來估計外部干擾的上界和執(zhí)行器效率因子的最小值.最后，考慮了帶有執(zhí)行器飽和的高超聲速飛行器縱向模型的容錯控制問題，給出了一種新的自適應(yīng)容錯控制策略.而且，后兩種容錯控制策略不需要前面提到的信息.所有控制算法的控制增益可以通過求解一組線性矩陣不