靜不穩(wěn)定飛翼無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)飛行控制技術(shù)研究.pdf

1、靜不穩(wěn)定飛翼布局無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以其先進(jìn)的氣動(dòng)特性、突出的隱身性能與機(jī)動(dòng)性能在軍事領(lǐng)域具有極強(qiáng)的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)價(jià)值與廣泛的應(yīng)用前景。論文針對(duì)此類(lèi)高性能無(wú)人駕駛飛行器平臺(tái)，提出了一種機(jī)動(dòng)飛行控制器的設(shè)計(jì)方法。即使在面臨內(nèi)部不確定性與外部擾動(dòng)環(huán)境下，仍能出色地完成縱、橫向機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)作，從而充分發(fā)揮了靜不穩(wěn)定飛翼布局無(wú)人機(jī)的飛行潛能，并提高了飛行控制系統(tǒng)的魯棒性與適應(yīng)性。
　　論文首先分析了飛翼布局無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀以及機(jī)動(dòng)飛行能力帶

2、來(lái)的優(yōu)越性，并深入研究了機(jī)動(dòng)飛行控制中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)樣例靜不穩(wěn)定飛翼無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)特點(diǎn)，建立了六自由度非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并據(jù)此分析了其在機(jī)動(dòng)飛行中出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)、氣動(dòng)以及操縱耦合等復(fù)雜的非線(xiàn)性特性。同時(shí)闡述了靜不穩(wěn)定性與飛翼布局對(duì)上述耦合特性產(chǎn)生的附加影響，獲得了樣例無(wú)人機(jī)所具備的機(jī)動(dòng)飛行能限。
　　其次，提出了整個(gè)閉環(huán)機(jī)動(dòng)飛行控制系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)方案的分析研究確定了內(nèi)、外回路控制器與控制分

3、配環(huán)節(jié)在飛行控制系統(tǒng)中的具體功能與作用，以及內(nèi)回路主-輔控制器之間相互依存、互為補(bǔ)充的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于魯棒伺服非線(xiàn)性逆控制與魯棒模型參考自適應(yīng)控制相結(jié)合的縱、橫向內(nèi)回路主控制器：其中，魯棒伺服非線(xiàn)性逆控制用于抵消機(jī)動(dòng)飛行中的非線(xiàn)性耦合項(xiàng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)確定形式的期望指令的無(wú)差跟蹤以及對(duì)確定形式的擾動(dòng)的有效抑制；以加入魯棒伺服非線(xiàn)性逆控制后的理想閉環(huán)系統(tǒng)為參考模型，構(gòu)造了一種能夠適應(yīng)于任意相對(duì)階系統(tǒng)的魯棒模型參考自適應(yīng)控制器，不

4、但增強(qiáng)了魯棒伺服非線(xiàn)性逆控制的魯棒性，并且實(shí)現(xiàn)了兩種控制方式的完美融合。通過(guò)理論分析，證明了內(nèi)回路主控制器的指令跟蹤性能與魯棒性能。
　　再次，研究了內(nèi)回路輔助控制器構(gòu)造方法與設(shè)計(jì)步驟。在輔助控制器的構(gòu)造中，將閉環(huán)自適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)誤差項(xiàng)與不確定性一并看作跟蹤誤差動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的綜合擾動(dòng)部分，通過(guò)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足適當(dāng)性能指標(biāo)的輔助控制器來(lái)削弱該綜合擾動(dòng)部分對(duì)跟蹤差的影響，從而在很大程度上提升了閉環(huán)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)性能。同時(shí)還指出：閉環(huán)系統(tǒng)瞬態(tài)

5、性能的改善程度與補(bǔ)償器的性能指標(biāo)的選取密切相關(guān)。論文從理論上證明了加入輔助控制器極大地改善了系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)性能，且不會(huì)對(duì)內(nèi)回路主控制器的理想特性產(chǎn)生影響。在完成內(nèi)回路主-輔控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，給出了外回路魯棒自適應(yīng)逆控制器的設(shè)計(jì)方法與穩(wěn)定性分析結(jié)論。
　　接著，通過(guò)分析控制分配環(huán)節(jié)當(dāng)中所存在的執(zhí)行器物理限制、舵效隨飛行狀態(tài)呈現(xiàn)非線(xiàn)性變化，以及操縱面產(chǎn)生的三軸力矩耦合等問(wèn)題，提出了一種變權(quán)重動(dòng)態(tài)控制分配算法。該算法保留了線(xiàn)性分配方法的

6、快速、直接等特點(diǎn)，從而保證了控制分配的實(shí)時(shí)性；并采用變權(quán)重的方式使得線(xiàn)性度較好的執(zhí)行器擁有較大的分配權(quán)限，從而有效地減小了執(zhí)行器非線(xiàn)性造成的控制分配誤差。通過(guò)求解二次規(guī)劃最優(yōu)問(wèn)題，以一種離散濾波器的形式實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)過(guò)程中分配精度與分配步長(zhǎng)之間的平衡。
　　最后，為了驗(yàn)證所提出的機(jī)動(dòng)飛行控制器的正確性與有效性，論文以樣例靜不穩(wěn)定飛翼布局無(wú)人機(jī)為被控對(duì)象，搭建了數(shù)值仿真環(huán)境，通過(guò)非線(xiàn)性仿真測(cè)試了所設(shè)計(jì)的縱、橫向內(nèi)外回路控制的指令跟蹤性能