發(fā)布時間：2020-08-27 09:15

【摘要】：高超聲速飛行器飛行過程中所處的高速、低壓和強對流等環(huán)境可能會導(dǎo)致元部件發(fā)生外形變化和彈性顫振等情況,致使執(zhí)行器發(fā)生一系列未知故障。而高超聲速飛行器造價昂貴等特點也意味著試飛失敗會造成巨大的財產(chǎn)損失。因此故障下的自愈合控制便成為富有意義的課題。本文以高超聲速飛行器為研究對象,研究了舵面發(fā)生角度偏移和增益損失時縱向模型及姿態(tài)模型的故障估計問題,并以估計結(jié)果為基礎(chǔ)設(shè)計了相應(yīng)的自愈合控制方法。論文主要內(nèi)容如下:(1)針對高超聲速飛行器升降舵發(fā)生角度偏移和增益損失故障情況,設(shè)計了二型模糊自適應(yīng)估計觀測器及自愈合控制器。首先基于區(qū)間二型模糊理論建立了高超聲速飛行器巡航階段的動態(tài)模糊模型。為提高故障估計的速度,針對二型模糊系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)設(shè)計了自適應(yīng)故障估計算法,并通過線性矩陣不等式計算所需增益矩陣。利用模糊觀測器得到的故障估計值設(shè)計了二型模糊控制器來補償上述升降舵故障,使得飛行器在故障情況下能夠快速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。(2)設(shè)計了多步驟迭代自適應(yīng)故障估計方法,以減小外部強擾動對故障估計帶來的影響,提高了故障估計的準(zhǔn)確性。以巡航階段的區(qū)間二型模糊模型為基礎(chǔ),增加外部擾動的作用項,使模型具有更強的代表性。并針對執(zhí)行器未知加性故障和外部擾動,設(shè)計了二型模糊模型下的多步驟迭代自適應(yīng)故障估計方法,將當(dāng)前故障估計得到的信息用于后續(xù)估計,成功減少了外部擾動對故障估計環(huán)節(jié)帶來的影響。(3)針對高超聲速飛行器姿態(tài)系統(tǒng)襟翼角度偏移故障,設(shè)計了基于非奇異終端滑模和動態(tài)面控制的自愈合方法。對于姿態(tài)角環(huán),采用非奇異終端滑模技術(shù)來獲得用以前饋給角速率環(huán)的虛擬控制輸入量,并采用自適應(yīng)動態(tài)面技術(shù)來獲得故障估計信息以及使系統(tǒng)穩(wěn)定所需的氣動舵面偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)氣動舵面產(chǎn)生的力矩?zé)o法匹配期望力矩時,采用線性二次分配方法來驅(qū)動10個反作用噴氣裝置作為輔助控制系統(tǒng)來補充控制力矩,使得飛行器能夠以期望姿態(tài)飛行。(4)針對襟翼故障及建模誤差產(chǎn)生的影響,設(shè)計了基于區(qū)間二型模糊估計器和布谷鳥舵面分配算法的自愈合控制方案。采用二型模糊估計方法來對內(nèi)環(huán)角速率系統(tǒng)建模誤差所引起的輸入攝動與氣動舵面的未知加性故障融合在一起進(jìn)行估計,并結(jié)合線性二次規(guī)劃與布谷鳥尋優(yōu)算法來對控制力矩進(jìn)行優(yōu)化分配,提高氣動舵面的利用效率,使得舵面產(chǎn)生的力矩盡量匹配期望控制力矩,在節(jié)省系統(tǒng)燃料的同時保證再入階段系統(tǒng)的姿態(tài)角能夠穩(wěn)定跟蹤給定姿態(tài)角指令。將上述故障估計與自愈合控制方法進(jìn)行了對比性仿真研究,結(jié)果表明本文所提方案能夠在精確獲得故障信息的同時,對其進(jìn)行有效補償,從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和跟蹤性能。
【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】：V448
【圖文】：

第一章 緒論 課題研究背景與意義高超聲速飛行器（Hypersonic Flight Vehicle, HFV）又名臨近空間飛行器，是指飛行速到并超過五倍馬赫數(shù)的飛機(jī)以及彈類飛行器，其飛行空域一般為距離海平面 650000-35000 英尺之間的近空間，包括平流層、中間層以及低熱層[1] [2]。由于臨近空間大氣行空域更為稀薄，致使飛行器所需升力難以保證；同時臨近空間大氣密度又較空間飛大，故而臨近空間的飛行器無法像衛(wèi)星一樣依靠萬有引力進(jìn)行工作；綜上，在傳統(tǒng)的技術(shù)限制下，臨近空間的軍事與民用的利用價值遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有得到足夠的開發(fā)與利用[3]�？仗斓瓤茖W(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，擁有極大戰(zhàn)術(shù)攻擊價值和戰(zhàn)略監(jiān)控前景的高超聲速飛行漸引起各界科研人員的關(guān)注，若能提前掌握臨近空間的開發(fā)及利用技術(shù)，將會在未來領(lǐng)域占得極大先機(jī)與主動權(quán)。美國國家航空航天局（National Aeronautics and inistration，NASA）研制的 X-43A 以七倍馬赫的速度成功試飛，驗證了高超音速飛行行性，也標(biāo)志著高超音速飛行技術(shù)的研究進(jìn)入一個熱潮[4]。

圖 1.2 美國 X-51A 高超聲速驗證機(jī)高超聲速技術(shù)“龍頭”美國的腳步的便是繼承了前蘇聯(lián)高超聲屬“冷”計劃，該計劃在八年時間內(nèi)先后實施了五次試飛項人滿意的結(jié)果，并且成功地引起了美國的重視[17]。隨后開展“彩虹-D2”計劃等。俄羅斯在經(jīng)過數(shù)十年在不斷地探索后氣式巡航與助推滑翔并舉、核常兼?zhèn)涞牟呗訹18]。這種策略使的“高超聲速打擊體系”開始嶄露頭角。在 2016 年，俄羅斯分研究項目，其中便包括有著名的 4202 項目。該項目的前身應(yīng)對美國的SDI 計劃而生，在蘇聯(lián)解體后研制進(jìn)程一度擱淺，今，并生產(chǎn)研制了 YU-71、YU-74 等多種高超聲速打擊武器[地發(fā)射了兩枚 YU-71 型號的高超聲速助推滑翔飛行器，其飛號的 YU-74 高超聲速飛行器雖然期望速度僅有 10 倍音速，，俄羅斯必定在其他方面對其抱有極大期望。4202 項目的研

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5 應(yīng)竣h

本文編號：2805911