發(fā)布時間：2020-04-13 02:44

【摘要】：高超聲速飛行器具有機動性強、速度快以及強耦合等特性,設(shè)計有效的魯棒協(xié)調(diào)控制器可以顯著的提高其安全性與可靠性。然而,研究此類飛行器的協(xié)調(diào)控制面臨諸多難點,主要原因在于變量間的強耦合以及氣動參數(shù)、氣動舵面間的交叉耦合效應(yīng)加劇了控制器設(shè)計的難度,此外還需要在設(shè)計控制器過程中充分考慮參數(shù)不確定以及外部擾動。本文圍繞高超聲速飛行器協(xié)調(diào)控制問題,給出了高超聲速飛行器的數(shù)學(xué)模型,并研究了強耦合與參數(shù)不確定條件下的魯棒協(xié)調(diào)控制方法。本文的主要研究內(nèi)容如下:首先根據(jù)國內(nèi)外公開的文獻資料給出了高超聲速飛行器六自由度十二狀態(tài)數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上對高超聲速飛行器的狀態(tài)變量進行耦合特性分析,其中主要包括以下幾個方面:姿態(tài)角之間、姿態(tài)角與姿態(tài)角速率之間、氣動舵面之間與縱向系統(tǒng)間的耦合特性與耦合極性。其次,針對高超聲速飛行器姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)計了協(xié)調(diào)控制器。首先運用數(shù)學(xué)采樣方法計算了姿態(tài)系統(tǒng)變量間的耦合度,并以此進行耦合分析。其次為了擴展耦合度在控制上的應(yīng)用,又基于耦合度定義了耦合熵。然后在姿態(tài)模型基礎(chǔ)上設(shè)計了協(xié)調(diào)因子,其中協(xié)調(diào)因子的參數(shù)為對應(yīng)變量的耦合熵。最后將協(xié)調(diào)因子與所設(shè)計的控制律結(jié)合推導(dǎo)協(xié)調(diào)控制力矩,并將所得協(xié)調(diào)控制力矩通過快回路舵面分配矩陣分配為舵面偏轉(zhuǎn)指令,通過舵面偏轉(zhuǎn)指令實現(xiàn)協(xié)調(diào)。然后,在姿態(tài)協(xié)調(diào)控制器基礎(chǔ)上,設(shè)計了姿態(tài)魯棒協(xié)調(diào)控制器。首先將姿態(tài)角的強耦合統(tǒng)一處理并設(shè)計了姿態(tài)角協(xié)調(diào)因子。其次還考慮了氣動舵面間的耦合效應(yīng)。最后針對氣動參數(shù)的攝動和擾動,基于投影映射算法與非線性觀測器方法設(shè)計了魯棒協(xié)調(diào)控制器。接著,考慮到耦合與控制系統(tǒng)穩(wěn)定之間的關(guān)系以及耦合極性的自動判斷問題,設(shè)計了基于耦合特性指數(shù)的姿態(tài)魯棒協(xié)調(diào)控制器。首先基于誤差模型引出了耦合特性指數(shù)(CCI),CCI有兩個作用:1.耦合特性指數(shù)可以分析耦合與控制系統(tǒng)穩(wěn)定性間的關(guān)系;2.耦合特性指數(shù)可以有效的區(qū)分耦合極性,與此同時,利用控制器保留可利用耦合的同時削弱不可利用耦合。最后,針對高超聲速飛行器縱向通道設(shè)計了魯棒協(xié)調(diào)控制器。首先從模型與耦合度的角度分別分析了縱向姿態(tài)變量間的耦合關(guān)系。其次基于分層協(xié)調(diào)思想分別設(shè)計了速度子系統(tǒng)、高度/航跡角子系統(tǒng)的耦合補償控制器,然后基于弱化耦合思想設(shè)計了攻角/俯仰角速率子系統(tǒng)的耦合轉(zhuǎn)換控制器。最后針對氣動參數(shù)的不確定性,基于投影映射算法設(shè)計了自適應(yīng)估計器來逼近系統(tǒng)中的不確定。
【圖文】：

30~100km 之間，也使得當(dāng)前防空系統(tǒng)難以對這一高度的飛行器進行有效攔截，因此高超聲速飛行器具有極強的戰(zhàn)場生存能力，可以做到快速打擊，迅速撤退。（4）作戰(zhàn)效能高，可以實施特定目標(biāo)打擊高超聲度飛行器集高速、高毀傷、高生存能力等優(yōu)點與一身，能夠快速打擊特定目標(biāo)，使特定目標(biāo)瞬間被摧毀。高超聲速飛行器發(fā)射彈道，因其極快的打擊速度，因此具有驚人的動能，對于地下的指揮中心、彈藥庫等核心目標(biāo)可以實施穿透性襲擊，因此，高超聲速武器具有強大的毀傷能力。高超聲速武器在發(fā)射以后借助自身攜帶的 GPS 以及全球信息柵格系統(tǒng)的偵查，可以在極短時間內(nèi)對移動目標(biāo)進行打擊，目標(biāo)一旦被高超聲速武器鎖定基本上瞬間就會被摧毀，不會給移動目標(biāo)任何反應(yīng)時間。在未來戰(zhàn)爭中，高超聲飛行器可以實現(xiàn) 2h 內(nèi)攻擊地球任何位置，，特別是對于時間敏感的目標(biāo)真正實現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)即摧毀”，對贏得戰(zhàn)爭的勝利起到了決定性的作用。美國在高超聲速飛行器的研制中一直處于領(lǐng)先地位，同時也投入了巨大的資源[12-13]。從上世紀(jì)六十年代開始，先后計劃研制了 X-33、X-38、X-40、X-43、X-51A 等類型的高超聲速飛行器，其中最具有代表性的是 Hyper-X 計劃和 X-37B、X-51A 計劃。此外，美國還成功試驗了 XB-70 高空高速戰(zhàn)略轟炸機。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V249.1;V448

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5 應(yīng)竣h

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