高超声速飞行器动力与飞行控制一体化设计方法

Complex nonlinear coupling exists between hypersonic vehicle scramjet engine and flight states, which is a challenge for flight control law design. This project aims at solving the problem of integrated propulsion and flight control law design for hypersonic flight vehicle. An integrated hierarchical framework with the ability of detection, coordination and control will be proposed. The most important parameters used to demonstrate the coupling between scramjet engine and flight states will be analyzed. Finite time convergent extended observer will be developed to observe the coupling parameters, in order to achieve online detection of the parameters and coordination of scramjet engine and flight control system. The integrated design model for scramjet engine and flight control system will be presented. Finite time convergent adaptive robust control theory will developed and used to design integrated propulsion and flight control system based on this model. The proposed method will provide a new way to design integrated propulsion and flight control law for hypersonic flight vehicle.

高超声速飞行器发动机与飞行运动间存在强耦合非线性约束关系，给飞行控制律设计提出了严峻挑战。针对这一问题，研究高超声速飞行器动力和飞行控制系统一体化控制律的设计方法。，建立对发动机和飞行状态进行监测、协调和控制的一体化框架；分析表征发动机和飞行状态间耦合关系的关键参数；构建面向飞行控制的动力系统模型，研究有限时间收敛扩张观测器理论，提出关键耦合参数的观测方法，实现参数的在线快速监测，综合协调动力系统和飞行运动系统；建立动力系统与飞行运动控制系统的一体化设计模型，研究有限时间收敛自适应鲁棒控制方法；基于该理论，探索动力与飞行控制系统的一体化设计方法，实现二者的综合协调控制，为高超声速飞行器动力和飞行控制系统的控制律设计提供新的方法。

针对高超声速飞行器动力系统和飞行控制系统耦合的特点，分析了高超声速飞行器发动机与飞行运动间存在强耦合非线性约束关系，建立了对发动机和飞行状态进行监测、协调和控制的一体化框架；分析了表征发动机和飞行状态间耦合关系的关键参数；构建了面向飞行控制的动力系统模型。研究了有限时间收敛扩张观测器理论，提出了关键耦合参数的观测方法，实现了参数的在线快速监测，综合协调了动力系统和飞行运动系统；建立了动力系统与飞行运动控制系统的一体化设计模型，提出了基于非光滑控制理论的有限时间收敛自适应鲁棒控制方法；基于该理论，提出了动力与飞行控制系统的一体化设计方法，实现了二者的综合协调控制，为高超声速飞行器动力和飞行控制系统的控制律设计提供新的方法，同时提出了相应的一体化设计效果评估方法，并对相应的设计结果进行了评估。研究成果可以应用于高超声速飞行器制导控制系统设计中，提高制导控制系统的性能。