近空间高超声速飞行器飞行姿态/气动力耦合机理与协调控制研究

本项目以近空间高超声速远程机动飞行器为背景，以解决近空间高超声速飞行器远距离机动飞行所带来的飞行控制问题为目标，重点围绕飞行姿态和气动力耦合机理与协调控制理论与方法展开研究，力求取得关键基础理论与方法研究的突破。首先探明近空间飞行环境下，高超声速飞行器的飞行姿态/气动力的耦合机理和耦合特性，建立考虑飞行姿态/气动力耦合的飞行器动力学模型,使之能够真实地描述飞行器动力学特性；在此基础上，创新一套新型自适应协调控制理论与方法，并将其应用于近空间高超声速飞行器飞行控制系统设计，实现飞行姿态/气动力的协调控制，为近空间高超声速飞行器远距离机动飞行提供保证。.研究中采取集成项目群的模式，聚集控制和气动领域的专家队伍，借鉴、集成重大研究计划中控制和气动方向重点项目及部分培育项目的研究成果，通过引入新的理论与方法，实现重大研究计划项目研究成果的不断提炼和升华，促进源头创新，达到集成升华的目的。

针对近空间高超声速飞行器飞行姿态/气动力严重耦合的问题，对飞行姿态与气动力耦合机理进行了分析，得到了飞行姿态与气动力相互耦合和相互影响的具体表征，集成和归纳了高超声速飞行器数学建模的相关成果。在此基础上，对飞行姿态/气动力耦合建模方法进行了研究，提出了两种耦合描述方法和建模思路，得到了考虑耦合的高超声速飞行器模型。进一步分析了近空间高超声速飞行器飞行姿态/气动力耦合特性，结果表明，高超声速飞行器的大攻角飞行模式导致了飞行姿态与气动力的严重耦合，在飞行轨迹上存在若干个局部耦合严重的特征点。基于参数附加耦合项建模思路提出了以下控制方法：(1)利用不变流形参数估计方法得到附加耦合项估计值，然后设计了自适应反步控制器，并应用于近空间高超声速飞行器仿真，并针对于该方法要求状态量和参数耦合项一一对应的不足提出了改进方法。(2)提出了基于模糊-神经网络观测器的动态逆控制方法，较好的估计得到了参数附加耦合项，消除了状态/参数耦合对于系统带来的影响。为了适应输出并非全状态的情况进行了改进。(3)提出了基于降维观测器方法，对附加参数耦合项进行估计，并作为补偿信号用于控制器设计，针对于输出矩阵不是雅各比矩阵的情况，引入动态标定因子和滤波器。(4)提出了基于NESO的解耦控制方法，用于解决高超声速飞行器姿态控制问题。把耦合动态和不确定性归结为广义不确定项，然后采用NESO方法给出估计值。基于状态/参数扩维建模思路提出了以下控制方法：(1)在状态/参数扩维的耦合建模方法基础上，给出了基于观测器的鲁棒控制方法，实现了状态/参数耦合和系统扰动项的分离，并构造反馈控制消除了耦合带来的影响。(2)提出了状态/参数扩维系统滑模控制方法。基于李雅普诺夫原理证明了系统在滑模观测器和滑模控制律作用下的闭环系统稳定性，成功应用到了近空间高超声速飞行器姿态控制问题中。