【摘要】：高超聲速飛行器具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、速度快以及強(qiáng)耦合等特性,設(shè)計(jì)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(diǎn),主要原因在于變量間的強(qiáng)耦合以及氣動(dòng)參數(shù)、氣動(dòng)舵面間的交叉耦合效應(yīng)加劇了控制器設(shè)計(jì)的難度,此外還需要在設(shè)計(jì)控制器過(guò)程中充分考慮參數(shù)不確定以及外部擾動(dòng)。本文圍繞高超聲速飛行器協(xié)調(diào)控制問(wèn)題,給出了高超聲速飛行器的數(shù)學(xué)模型,并研究了強(qiáng)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?jī)?nèi)容如下:首先根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開的文獻(xiàn)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(duì)高超聲速飛行器的狀態(tài)變量進(jìn)行耦合特性分析,其中主要包括以下幾個(gè)方面:姿態(tài)角之間、姿態(tài)角與姿態(tài)角速率之間、氣動(dòng)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(duì)高超聲速飛行器姿態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)控制器。首先運(yùn)用數(shù)學(xué)采樣方法計(jì)算了姿態(tài)系統(tǒng)變量間的耦合度,并以此進(jìn)行耦合分析。其次為了擴(kuò)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(jì)了協(xié)調(diào)因子,其中協(xié)調(diào)因子的參數(shù)為對(duì)應(yīng)變量的耦合熵。最后將協(xié)調(diào)因子與所設(shè)計(jì)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(guò)快回路舵面分配矩陣分配為舵面偏轉(zhuǎn)指令,通過(guò)舵面偏轉(zhuǎn)指令實(shí)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(jì)了姿態(tài)魯棒協(xié)調(diào)控制器。首先將姿態(tài)角的強(qiáng)耦合統(tǒng)一處理并設(shè)計(jì)了姿態(tài)角協(xié)調(diào)因子。其次還考慮了氣動(dòng)舵面間的耦合效應(yīng)。最后針對(duì)氣動(dòng)參數(shù)的攝動(dòng)和擾動(dòng),基于投影映射算法與非線性觀測(cè)器方法設(shè)計(jì)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(dòng)判斷問(wèn)題,設(shè)計(jì)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(gè)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(shí),利用控制器保留可利用耦合的同時(shí)削弱不可利用耦合。最后,針對(duì)高超聲速飛行器縱向通道設(shè)計(jì)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(jì)了速度子系統(tǒng)、高度/航跡角子系統(tǒng)的耦合補(bǔ)償控制器,然后基于弱化耦合思想設(shè)計(jì)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(duì)氣動(dòng)參數(shù)的不確定性,基于投影映射算法設(shè)計(jì)了自適應(yīng)估計(jì)器來(lái)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(duì)這一高度的飛行器進(jìn)行有效攔截，因此高超聲速飛行器具有極強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)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(shí)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(diǎn)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(dòng)能，對(duì)于地下的指揮中心、彈藥庫(kù)等核心目標(biāo)可以實(shí)施穿透性襲擊，因此，高超聲速武器具有強(qiáng)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(shí)間內(nèi)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行打擊，目標(biāo)一旦被高超聲速武器鎖定基本上瞬間就會(huì)被摧毀，不會(huì)給移動(dòng)目標(biāo)任何反應(yīng)時(shí)間。在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，高超聲飛行器可以實(shí)現(xiàn) 2h 內(nèi)攻擊地球任何位置，，特別是對(duì)于時(shí)間敏感的目標(biāo)真正實(shí)現(xiàn)了“發(fā)現(xiàn)即摧毀”，對(duì)贏得戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利起到了決定性的作用。美國(guó)在高超聲速飛行器的研制中一直處于領(lǐng)先地位，同時(shí)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(jì)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(jì)劃和 X-37B、X-51A 計(jì)劃。此外，美國(guó)還成功試驗(yàn)了 XB-70 高空高速戰(zhàn)略轟炸機(jī)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V249.1;V448

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5 應(yīng)竣h

本文編號(hào)：2625487