高超聲速無人機(jī)基于特征模型的機(jī)動飛行控制研究.pdf

1、高超聲速飛行器是各國在航空航天領(lǐng)域新的競爭點(diǎn)，以美國為代表的西方航空強(qiáng)國都有各自的高超聲速研究計劃，并取得了很多重要研究成果，而我國在這方面尚處于起步階段。高超聲速飛行器自身強(qiáng)耦合、高度非線性以及運(yùn)行中復(fù)雜的飛行環(huán)境、大范圍高速機(jī)動等特點(diǎn)給控制系統(tǒng)設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。圍繞這一系列問題，本文選擇了高超聲速無人機(jī)（HUAV）作為研究對象，在HUAV建模與分析、特征模型及其控制、BTT姿態(tài)機(jī)動控制器以及航跡跟蹤控制器設(shè)計四個方面展開了研究。

2、
　　首先，根據(jù)國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料，選擇可用的HUAV模型并建立其動力學(xué)方程。HUAV采用改進(jìn)的沖壓發(fā)動機(jī)作為推進(jìn)裝置，其氣動力和力矩系數(shù)是迎角和馬赫數(shù)以及氣動舵面偏角的函數(shù)，質(zhì)心和慣性矩是飛行器質(zhì)量的時變函數(shù)。飛行包線給出了HUAV的機(jī)動飛行參數(shù)范圍，開環(huán)耦合分析表明了所建立的飛行器模型具有復(fù)雜的非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，所選模型具有一定的代表性。
　　其次，介紹了特征模型以及基于特征模型進(jìn)行控制律設(shè)計的控制方案。特征模

3、型采用特征量描述系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵信息，不需要被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只需要知道其輸入輸出等特征量之間的特征關(guān)系即可，結(jié)構(gòu)簡單，易于理解，在非線性不確定強(qiáng)耦合系統(tǒng)的控制器設(shè)計方面具有很好的性能。特征模型內(nèi)容涵蓋較廣，分析表明智能PID控制、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識的控制等在本質(zhì)上也是基于特征模型的控制。
　　接著，分析了BTT控制具有大升阻比、強(qiáng)氣動穩(wěn)定性、可與沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計兼容等優(yōu)良的特性，針對高超聲速無人機(jī)機(jī)動飛行時具有的高度非線

4、性、強(qiáng)耦合和不確定性等特征，采用BTT控制減小非線性等不利影響，通過特征建模，設(shè)計了高超聲速無人機(jī)的BTT自適應(yīng)姿態(tài)控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明了控制器的有效性。最后分析了特定機(jī)動條件下，采用BTT控制所允許的姿態(tài)角機(jī)動范圍。
　　最后，設(shè)計了特定軌跡機(jī)動跟蹤控制算法，算法由兩部分組成，前饋部分采用逆動力學(xué)和解析法相結(jié)合的方法求解標(biāo)稱推力指令和姿態(tài)指令，反饋部分采用基于自學(xué)習(xí)的神經(jīng)元自適應(yīng)控制來修正誤差。仿真結(jié)果顯示所設(shè)計的控制器具有良