本文關(guān)鍵詞：滑翔式高超聲速飛行器再入軌跡規(guī)劃與姿態(tài)控制

  更多相關(guān)文章： 滑翔式高超聲速飛行器 6DOF再入運(yùn)動方程 多目標(biāo)優(yōu)化 齊次T-S模糊模型 再入姿態(tài)控制 T-S模糊控制

【摘要】：隨著世界政治經(jīng)濟(jì)格局的新變化以及科學(xué)技術(shù)在各個工程領(lǐng)域的不斷突破,人類開始向更具挑戰(zhàn)性的臨近空間領(lǐng)域探索。作為一類重要的臨近空間飛行器,滑翔式高超聲速飛行器(Hypersonic glide vehicle,HGV)是指通過火箭或天基平臺搭載,由近地軌道投放并再入大氣層,之后保持遠(yuǎn)程高速(Ma5)滑翔飛行的無動力飛行器。由于滑翔式高超聲速飛行器在技術(shù)和戰(zhàn)術(shù)的實現(xiàn)上不依賴于發(fā)動機(jī)動力,并且該飛行器具有大空域滑翔和大范圍機(jī)動的能力,很好地契合了全球快速打擊的設(shè)想和時代背景,因此具有重要的戰(zhàn)略價值和意義,已受到世界各國的普遍重視。然而,滑翔式高超聲速飛行器再入過程中制導(dǎo)和控制面臨諸多挑戰(zhàn),如多控制目標(biāo)、多控制約束的軌跡優(yōu)化控制問題,面向制導(dǎo)與控制的模型問題,以及強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合、強(qiáng)不確定的再入控制問題。本文以滑翔式高超聲速飛行器再入軌跡優(yōu)化與姿態(tài)控制為研究核心,按照提出問題、分析問題、問題的解決方法、問題的解決結(jié)果的順序逐步展開,主要研究內(nèi)容分為如下四個部分:建立了滑翔式高超聲速飛行器完整的6DOF再入運(yùn)動方程,包括3DOF再入質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)方程和3DOF再入姿態(tài)動力學(xué)方程,并給出了飛行器氣動外形參數(shù)化模型和氣動參數(shù)模型等。基于姿態(tài)動力學(xué)方程給出了面向再入控制研究的姿態(tài)動力學(xué)仿射非線性模型,并分析了HGV系統(tǒng)氣動特性、靜穩(wěn)定性和開環(huán)動態(tài)特性,仿真表明HGV再入運(yùn)動呈現(xiàn)出快時變、強(qiáng)耦合不穩(wěn)定的非線性特征,具有典型的代表性。同時模型和特性分析為姿態(tài)控制奠定了基礎(chǔ)。設(shè)計了滑翔式高超聲速飛行器多控制目標(biāo)、多控制約束再入條件下的縱向再入優(yōu)化軌跡�；谥苯臃▽⒃偃牍ソ请x散化,并將其與航天飛機(jī)再入攻角方案相結(jié)合,給出速度剖面下的標(biāo)稱再入攻角方案。通過引入反值能量概念,將無量綱的3DOF再入質(zhì)心運(yùn)動方程轉(zhuǎn)化為基于能量的運(yùn)動形式,從而將終端時刻未知的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為特定能量區(qū)間上的非線性規(guī)劃(Nonlinear programming,NLP)問題。然后,將該NLP問題放入到多目標(biāo)優(yōu)化問題(Multi-objective Optimization Problem,MOP)的框架下加以解決�；诹Ｗ尤核惴ㄔO(shè)計了約束的多目標(biāo)粒子群算法(Constrained Multi-Objective PSO,CMOPSO)。通過基于自適應(yīng)懲罰技術(shù)約束條件和約束個體,基于歸一化非支配排序技術(shù)處理多個目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化。仿真表明,本文所設(shè)計的優(yōu)化方法給出了基于Pareto最優(yōu)意義下的多條再入攻角和再入軌跡,很好地解決了滑翔式高超聲速飛行器多目標(biāo)多約束的再入軌跡優(yōu)化問題。給出了滑翔式高超聲速飛行器再入姿態(tài)動力學(xué)三通道齊次T-S模糊模型。針對傳統(tǒng)的采用Jacobian線性化方法無法得到非零工作點(diǎn)上齊次模糊模型的問題,引入了齊次化建模方法構(gòu)建局部T-S模糊模型。通過分析姿態(tài)動力學(xué)開環(huán)特性,折衷所建立模型的復(fù)雜度與逼進(jìn)度,將非線性和耦合性較強(qiáng)的滾轉(zhuǎn)角速率和偏航角速率作為前件變量,從而構(gòu)建了各子系統(tǒng)的齊次T-S模糊模型�；诓⑿蟹植佳a(bǔ)償(Parallel Distributed Compensation,PDC)原理得到HGV再入姿態(tài)動力學(xué)模型的齊次T-S模糊非線性模型。仿真表明給出了所構(gòu)建HGV齊次T-S模型與原模型在各特征點(diǎn)上和在特征點(diǎn)鄰域均具有較好的逼近精度,為后續(xù)T-S模糊控制提供了模型基礎(chǔ)。針對HGV再入姿態(tài)控制問題,通過引入T-S模糊控制策略,設(shè)計系統(tǒng)閉環(huán)控制器。通過選取合適的李雅普諾夫函數(shù),給出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定的松弛化LMI條件。針對再入過程中所受到的外部干擾問題,基于含外部干擾的再入T-S模糊模型,設(shè)計了H_∞狀態(tài)反饋控制器。由于實際工程中系統(tǒng)狀態(tài)并不是全部可測的,并且再入過程中系統(tǒng)模型通常具有不確定性,因此,基于含有不確定和外部干擾T-S模糊模型,設(shè)計了含有觀測矩陣的動態(tài)輸出反饋控制器。李雅普諾夫穩(wěn)定性理論給出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定的T-S模糊動態(tài)輸出控制器的LMI條件。仿真表明,所設(shè)計的T-S模糊控制器可以很好的保證含有外部干擾和模型不確定性的系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：V249.1

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;Progress in control approaches for hypersonic vehicle[J];Science China(Technological Sciences);2012年10期

2 蘇茂;王永驥;劉磊;常松濤;;基于改進(jìn)粒子群算法的再入飛行器軌跡優(yōu)化[J];計算技術(shù)與自動化;2011年04期

3 李惠峰;肖進(jìn);林平;;基于參數(shù)化外形的通用大氣飛行器建模與分析[J];宇航學(xué)報;2011年11期

4 黃育秋;何麟書;;升力式再入飛行器多約束多階段彈道優(yōu)化設(shè)計[J];哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2011年07期

5 孫勇;段廣仁;張卯瑞;張澤;;高超聲速飛行器再入過程改進(jìn)氣動系數(shù)模型[J];系統(tǒng)工程與電子技術(shù);2011年01期

6 陳小慶;侯中喜;劉建霞;;基于直接配點(diǎn)法的滑翔軌跡快速優(yōu)化設(shè)計[J];航空計算技術(shù);2010年01期

7 陳小慶;侯中喜;劉建霞;;高超聲速滑翔式飛行器再入軌跡多目標(biāo)多約束優(yōu)化[J];國防科技大學(xué)學(xué)報;2009年06期

8 張忠峰;高云峰;寶音賀西;;基于粒子群優(yōu)化的高超聲速飛行器航跡規(guī)劃[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2009年08期

9 謝富強(qiáng);吳浩;唐靈靈;;基于粒子群算法的飛行器再入軌跡優(yōu)化[J];計算技術(shù)與自動化;2008年04期

10 王寧;孟憲堯;;齊次T-S模糊系統(tǒng)的逼近性能[J];大連海事大學(xué)學(xué)報;2007年03期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 孟斌;吳宏鑫;;高超聲速飛行器基于特征模型的自適應(yīng)控制[A];第二十六屆中國控制會議論文集[C];2007年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 陳小慶;高超聲速滑翔飛行器機(jī)動技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

2 雍恩米;高超聲速滑翔式再入飛行器軌跡優(yōu)化與制導(dǎo)方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

3 王玉惠;空天飛行器基于模糊理論的魯棒自適應(yīng)控制研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

4 劉燕斌;高超聲速飛行器建模及其先進(jìn)飛行控制機(jī)理的研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

5 朱亮;空天飛行器不確定非線性魯棒自適應(yīng)控制[D];南京航空航天大學(xué);2006年

，

本文編號：1287463