高超聲速飛行器氣動彈性建模與魯棒變增益控制.pdf

1、高超聲速飛行器由于其在民用和軍事領域都具有廣闊的應用前景，得到了世界各軍事強國的廣泛重視，成為目前航空航天飛行技術的主要研究方向。高馬赫數(shù)使得高超聲速飛行器相對比常規(guī)飛行器具有了巨大的優(yōu)勢，同時也帶來了許多技術挑戰(zhàn)。只從控制科學角度來看，這些挑戰(zhàn)主要包括氣動/彈性/控制系統(tǒng)之間的親合、機體/發(fā)動機之間的親合、大跨度飛行導致的系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化、控制航面效率低下以及閉環(huán)系統(tǒng)始終處于近乎臨界穩(wěn)定狀態(tài)等。本文以高超聲速飛行器氣動彈性問題為研究核

2、心，針對當前氣動彈性分析與面向控制的模型方面存在的問題，按照分析問題、建立模型、問題的提出、控制方法、控制器設計與綜合的研究思路，分析了高超聲速飛行器所受的氣動力和彈性形變以及二者之間的關系，通過引入全新變量建立了飛行器的非線性運動模型，并且針對不確定性和參數(shù)變化問題分別給出了相應的控制算法，給出了完整的控制器設計與綜合方法，保證飛行器在巡航和大跨度飛行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定。
　　分析了X-43A構型的高超聲速飛行器在高超聲速流中機體

3、表面的氣流分區(qū)特性，給出了機體各表面氣流特性與高度、速度以及攻角的關系;使用當?shù)亓骰钊碚摲治鰴C體各表面和航面上下表面的非定常氣動力，給出了飛行器飛行中受到的合力和合力矩，為后續(xù)的分析氣動與彈性的關系、建立高超聲速飛行器以及飛行控制系統(tǒng)設計等工作建立了基礎。
　　分析了高超聲速飛行器的自由振動和靜態(tài)彈性形變，給出了飛行器在機體各表面氣動力的作用下機體前端的燒曲線方程;根據(jù)氣動和彈性之間的本質(zhì)聯(lián)系，提出了誘發(fā)攻角的概念，誘發(fā)攻角的動

4、態(tài)具有簡潔的表現(xiàn)形式并且可以同時描述非定常氣動力和彈性形變的特性與聯(lián)系;利用Lagrange方程建立了高超聲速飛行器的飛行動力學方程，通過分析誘發(fā)攻角與剛體運動各變量的關系，對剛體模型進行修正，給出了包含氣動彈性信息的高超聲速飛行器非線性運動方程。所給出的高超聲速飛行器氣動彈性模型是后續(xù)工作中控制系統(tǒng)設計的基礎。
　　針對高超聲速飛行器具有模型不確定性和參數(shù)不確定性、陣風干擾和大跨度機動飛行導致的系統(tǒng)參數(shù)劇烈變化等問題，在LPV系

5、統(tǒng)框架內(nèi)，將問題歸結為標準的H∞問題，根據(jù)多胞LPV系統(tǒng)的特性，應用仿射參數(shù)依賴的Lyapunov方法，給出了LPV魯棒變增益控制器算法;利用混合靈敏度思想，給出魯棒變增益控制器的綜合方法。隨后將高度和速度作為調(diào)度變量，建立了LPV系統(tǒng)模型，并將模型轉(zhuǎn)換為多胞LPV系統(tǒng)的形式。通過選擇合適的加權函數(shù)和求解LMI問題綜合得到了?。魯棒變增益控制器。應用得到的控制器解決高超聲速飛行器巡航階段和機動飛行階段的姿態(tài)穩(wěn)定問題，仿真結果表明控制器可

6、以有效地保證干擾和不確定性存在條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性;作為對比，給出了基于LTI系統(tǒng)設計的單點控制器在相應飛行條件下控制效果，對比結果表明在機動飛行時，LPV魯棒變增益控制器具有更好的性能。
　　根據(jù)高超聲速飛行器的飛行任務需求，設計軌跡跟蹤控制系統(tǒng)。根據(jù)頻帶分離原理，將被控對象分為高頻回路和低頻回路，采用多回路控制結構，分別綜合得到了LPV姿態(tài)穩(wěn)定控制器和軌跡跟蹤控制器。將所獲得控制器分別用于跟蹤通用的周期衰減飛行軌跡和?X43-A