本文關(guān)鍵詞：可重復(fù)使用飛行器再入模型非線性度分析與控制方法研究

  更多相關(guān)文章： 亞軌道可重復(fù)使用飛行器 非線性指數(shù) 穩(wěn)定半徑 增益調(diào)度 高階滑�？刂�

【摘要】：可重復(fù)使用飛行器(本文研究的可重復(fù)使用飛行器為亞軌道可重復(fù)使用飛行器,Suborbital Reusable Launch Vehicle,SRLV)是一種多用途飛行器,可以在臨近空間和地面之間的廣大空域內(nèi)低成本可靠地執(zhí)行多種飛行任務(wù),是未來(lái)軌道飛行器發(fā)展的重要參考,已成為許多國(guó)家研究和發(fā)展的重點(diǎn)目標(biāo)。在SRLV從亞軌道返回至地球的飛行過(guò)程中,具有飛行空域廣、飛行段約束強(qiáng)、操縱機(jī)構(gòu)復(fù)雜、氣動(dòng)特性復(fù)雜和大攻角飛行等特點(diǎn),為了能夠安全、可靠地返回地面,需要對(duì)返回段的動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)等方面開(kāi)展深入研究。本文以亞軌道可重復(fù)使用飛行器為研究對(duì)象,以SRLV返回飛行段為研究背景,研究了返回段的氣動(dòng)解析模型,以此為基礎(chǔ)建立了再入動(dòng)力學(xué)方程,并分析了該動(dòng)力學(xué)模型的非線性度,結(jié)合非線性度的變化,提出基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制策略,并針對(duì)該方法的不足之處,研究了具有較強(qiáng)自主性和魯棒性的高階滑模控制方法,主要研究?jī)?nèi)容有:描述亞軌道可重復(fù)使用飛行器的外形結(jié)構(gòu),給出了各操縱機(jī)構(gòu)的功能,詳細(xì)分析了氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的定常和非定常特性,結(jié)合多變量正交函數(shù)方法,給出了基于氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩解析表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上建立了再入運(yùn)動(dòng)方程組。再入飛行過(guò)程呈現(xiàn)強(qiáng)耦合快時(shí)變的強(qiáng)非線性特性,通過(guò)建立基于氣動(dòng)解析模型的SRLV動(dòng)力學(xué)方程,可以直觀表現(xiàn)氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩對(duì)各飛行變量的非線性影響,準(zhǔn)確描述兩者之間的非線性關(guān)系,直溯返回動(dòng)力學(xué)模型的非線性根源,是后續(xù)非線性強(qiáng)度分析和控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。針對(duì)SRLV的非線性特性,結(jié)合非線性指數(shù)方法,提出了適用于SRLV再入動(dòng)力學(xué)模型的非線性度分析方法。通過(guò)對(duì)SRLV非線性動(dòng)力學(xué)方程的線性化處理,建立了以攻角、側(cè)滑角、歐拉角速度為狀態(tài)變量的狀態(tài)空間方程,研究了不同參數(shù)向量對(duì)狀態(tài)方程非線性度的影響,定量地描述不同區(qū)域內(nèi)動(dòng)力學(xué)模型的非線性強(qiáng)弱程度。仿真結(jié)果表明,攻角、側(cè)滑角、高度和馬赫數(shù)是影響再入動(dòng)力學(xué)模型非線性度的主要原因,應(yīng)著重研究這些變量對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響,考慮更合適的增益變量選取方法,為后續(xù)的返回飛行控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。增益調(diào)度是目前應(yīng)用較廣泛、較成功的飛行控制策略,但是它具有調(diào)度變量選取困難、特征點(diǎn)數(shù)量難以確定以及相鄰兩個(gè)特征點(diǎn)之間任意區(qū)域的控制穩(wěn)定性難以保證等缺點(diǎn)。針對(duì)這些缺點(diǎn),結(jié)合SRLV再入動(dòng)力學(xué)模型的非線性度變化規(guī)律,提出了基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法。該方法從理論上探索能夠保證相鄰飛行特征點(diǎn)之間任意區(qū)域穩(wěn)定性的增益調(diào)度控制方法,給出基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制策略,對(duì)傳統(tǒng)方法進(jìn)行了改進(jìn),并將改進(jìn)后的增益調(diào)度控制方法應(yīng)用于SRLV返回段飛行控制律設(shè)計(jì)中。仿真結(jié)果表明,基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法在調(diào)度變量確定、特征點(diǎn)選取和控制精度等方面較傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢(shì)�；诜�(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法,雖然對(duì)傳統(tǒng)的增益調(diào)度控制方法進(jìn)行了改進(jìn),但受到外部擾動(dòng)等不確定性影響時(shí),仍可能出現(xiàn)控制精度變差等問(wèn)題,且特征點(diǎn)的選取過(guò)程較為復(fù)雜,增大了控制器分析設(shè)計(jì)過(guò)程的復(fù)雜度。針對(duì)這些缺點(diǎn),基于高階滑�？刂评碚�,提出了應(yīng)用于SRLV返回段的雙環(huán)準(zhǔn)連續(xù)高階滑�？刂品椒āＴ摲椒ú恍枰A(yù)先設(shè)置調(diào)參表格,使得控制器分析與設(shè)計(jì)過(guò)程更為簡(jiǎn)便。SRLV再入運(yùn)動(dòng)可以分為慢動(dòng)態(tài)和快動(dòng)態(tài)兩個(gè)階段,外環(huán)控制器對(duì)應(yīng)于慢運(yùn)動(dòng)狀態(tài),跟蹤制導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生的角度指令,輸出歐拉角速度指令;內(nèi)環(huán)控制器對(duì)應(yīng)于快運(yùn)動(dòng)狀態(tài),跟蹤外環(huán)控制器輸出的角速度指令,輸出控制力矩。仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)滑模控制方法相比,雙環(huán)準(zhǔn)連續(xù)高階滑�？刂品椒軌蛴行У匾种贫墩瘳F(xiàn)象,具有更高的控制精度,而且該方法對(duì)于內(nèi)部參數(shù)不確定性和外界干擾具有一定的魯棒性。
【關(guān)鍵詞】：亞軌道可重復(fù)使用飛行器 非線性指數(shù) 穩(wěn)定半徑 增益調(diào)度 高階滑�？刂�
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V448
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-14
• 第1章 緒論14-32
• 1.1 論文來(lái)源與意義14-16
• 1.1.1 論文來(lái)源14
• 1.1.2 論文研究目的與意義14-16
• 1.2 亞軌道可重復(fù)使用飛行器研究現(xiàn)狀16-21
• 1.2.1 美國(guó)SRLV發(fā)展概況16-18
• 1.2.2 歐洲SRLV發(fā)展概況18-20
• 1.2.3 俄羅斯SRLV發(fā)展概況20
• 1.2.4 中國(guó)SRLV發(fā)展概況20-21
• 1.3 亞軌道可重復(fù)使用飛行器建模研究現(xiàn)狀21-22
• 1.4 非線性度分析的研究現(xiàn)狀22-24
• 1.5 SRLV控制方法研究現(xiàn)狀24-30
• 1.5.1 PID控制24-25
• 1.5.2 LQR控制25-26
• 1.5.3 LPV控制26
• 1.5.4 軌跡線性化控制26-27
• 1.5.5 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制27-28
• 1.5.6 滑模控制28-30
• 1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容30-32
• 第2章 基于氣動(dòng)解析模型的SRLV再入動(dòng)力學(xué)方程32-54
• 2.1 引言32
• 2.2 SRLV外型結(jié)構(gòu)分析32-34
• 2.3 SRLV常用坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換關(guān)系34-39
• 2.3.1 常用坐標(biāo)系定義34-35
• 2.3.2 坐標(biāo)系間的歐拉角及轉(zhuǎn)換關(guān)系35-38
• 2.3.3 角度幾何關(guān)系38-39
• 2.4 氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩解析模型39-50
• 2.4.1 定常氣動(dòng)特性40-43
• 2.4.2 非定常氣動(dòng)特性43-44
• 2.4.3 基于氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的解析建模44-50
• 2.5 SRLV再入動(dòng)力學(xué)方程50-52
• 2.5.1 基本假設(shè)條件50
• 2.5.2 SRLV質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程50-51
• 2.5.3 SRLV繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)方程51-52
• 2.6 本章小結(jié)52-54
• 第3章 SRLV再入動(dòng)力學(xué)模型非線性度研究54-70
• 3.1 引言54
• 3.2 非線性指數(shù)方法54-60
• 3.3 SRLV再入動(dòng)力學(xué)模型非線性指數(shù)計(jì)算60-64
• 3.4 仿真分析64-69
• 3.5 本章小結(jié)69-70
• 第4章 基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制方法70-91
• 4.1 引言70
• 4.2 增益調(diào)度控制方法分析70-71
• 4.3 基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度控制71-80
• 4.3.1 調(diào)度變量的選取方法71-74
• 4.3.2 穩(wěn)定半徑74-77
• 4.3.3 特征點(diǎn)的選取方法77-79
• 4.3.4 LQR狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)79-80
• 4.4 SRLV再入段基于穩(wěn)定半徑的增益調(diào)度設(shè)計(jì)80-90
• 4.4.1 調(diào)度變量的選取80-82
• 4.4.2 特征點(diǎn)的選取82-87
• 4.4.3 調(diào)度方案87
• 4.4.4 控制分配方案設(shè)計(jì)87-88
• 4.4.5 仿真分析88-90
• 4.5 本章小結(jié)90-91
• 第5章 SRLV雙環(huán)準(zhǔn)連續(xù)高階滑�？刂�91-105
• 5.1 引言91
• 5.2 高階滑�？刂评碚�91-96
• 5.3 基于高階滑模的SRLV控制器設(shè)計(jì)96-101
• 5.3.1 多環(huán)二階滑�？刂破髟O(shè)計(jì)96-99
• 5.3.2 高階滑模微分器設(shè)計(jì)99-100
• 5.3.3 高階滑模擾動(dòng)觀測(cè)器設(shè)計(jì)100-101
• 5.4 仿真分析101-104
• 5.5 本章小結(jié)104-105
• 結(jié)論105-108
• 參考文獻(xiàn)108-120
• 攻讀博士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文120-122
• 致謝122-123
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷123

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 黃祖毅,李東海,姜學(xué)智,孫立明;倒立擺擺角全程控制的增益調(diào)度方法[J];電機(jī)與控制學(xué)報(bào);2004年02期

2 索江鐳;胡志堅(jiān);劉宇凱;湯鵬;張子泳;;大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后的電力系統(tǒng)廣域增益調(diào)度控制器設(shè)計(jì)[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2014年22期

3 張鐵軍,呂劍虹,華志剛;機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的模糊增益調(diào)度預(yù)測(cè)控制[J];中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào);2005年04期

4 王江;;帶增益調(diào)度的風(fēng)力發(fā)電變槳距控制研究[J];電氣時(shí)代;2009年02期

5 吳金波;梅洪;李維嘉;;基于增益調(diào)度的大壓力筒壓力跟蹤控制[J];艦船科學(xué)技術(shù);2012年06期

6 段錦良,馬俊功;液壓馬達(dá)速度系統(tǒng)的增益調(diào)度控制[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2004年S2期

7 鄭海平;鐘晨星;吳利平;郭毓;;基于增益調(diào)度型參數(shù)自調(diào)整的倒立擺模糊控制[J];華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年S1期

8 胡天明;方桂筍;李晨晨;;模糊PI控制在電液速度伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J];液壓與氣動(dòng);2008年02期

9 陳峻峰;劉昆;肖凱;;磁懸浮儲(chǔ)能飛輪線性變參數(shù)魯棒增益調(diào)度控制[J];控制理論與應(yīng)用;2011年11期

10 于達(dá)仁,徐志強(qiáng),翁一武,李月華;DEB的新認(rèn)識(shí)——增益調(diào)度控制[J];熱能動(dòng)力工程;1999年05期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 李清泉;卿子龍;;全程優(yōu)化增益調(diào)度控制[A];1992年中國(guó)控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1992年

2 段錦良;馬俊功;;液壓馬達(dá)速度系統(tǒng)的增益調(diào)度控制[A];中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)第六屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

3 王俊玲;袁偉;舒U喰，

本文編號(hào)：1000602