基于系统浸入和流形不变的高超声速飞行器多目标综合控制方法研究

The modern hypersonic vehicles are designed by advanced body/engine integration technology which brings strong coupling to the flight control system and the propulsion system. Its attitude and thrust can not be controlled separately, therefore, the integrated flight/propulsion control system is strongly needed. Additionally, because of the widen flight envelope, the strong model parameter perturbation and the unmodeled dynamics, the integrated control of flight/propulsion system have to face the goals of stability, system performance, and performance robustness. The urgent exploration is needed in multi-objective control theory and algorithm for this kind of strong coupling, fast time-varying, strong nonlinearity and strong uncertainty systems. Based on the adaptive system immersion and manifold invariant theory, this research focus on the multi-objective integrated control scheme for hypersonic vehicles. In order to give a solution to the issues in system immersion theory and the design of global attractive invariant manifold in the condition of multi-objective and strong coupling, the following aspects will be considered: algorithms to enhance the robustness of the nonlinear dynamic inversion, the design constrains caused by unstable zero dynamics, system immersion and manifold invariant algorithm under strong coupling and the multi-objective of flight/propulsion integrated control design. We look forward to giving an answer to the multi-objective control theory and algorithm for the flight/propulsion integrated control design of hypersonic vehicles, and establishing the theoretical basis for the key technical breakthroughs.

高超声速飞行器多采用先进的机体/发动机一体化技术，导致其飞行控制系统与推进系统强烈耦合，姿态和推力无法单独控制，因此必须进行飞行/推进综合控制研究。此外，由于高超声速飞行器飞行包线大，模型参数摄动强烈，未建模动态多，飞行/推进综合控制必然涉及到稳定性、系统动静态性能以及性能鲁棒性等多目标要求，因此迫切需要探索针对这一类强耦合、快时变、强非线性、强不确定系统的多目标综合控制方法。为此，本课题基于自适应系统浸入和流形不变方法，研究高超声速飞行器的飞行/推进多目标综合控制方法，具体内容包括对非线性动态逆的鲁棒性增强设计、不稳定零动态引起的设计约束、强耦合条件下的系统浸入和流形不变设计方法以及飞行/推进多目标综合设计等，解决多目标强耦合条件下系统浸入和全局吸引不变流形设计等关键科学问题，设计面向一体化高超声速飞行器飞行/推进多目标综合控制的控制方案，为相关关键技术突破夯实理论基础。

本项目旨在基于吸引流形方法的理论内核，利用自适应的系统浸入和流形不变方法特有的非线性自适应属性，为高超声速飞行器设计和飞行控制的关键技术突破提供基础理论支持，申请书拟定了下述五个方面的研究内容：①基于自适应的系统浸入和流形不变方法的动态逆性能鲁棒性增强方法研究；②不稳定零动态对自适应的系统浸入和流形不变方法的影响机制研究；③强耦合条件下自适应的系统浸入和流形不变方法的设计方法研究；④基于自适应的系统浸入和流形不变方法的多目标综合控制方法研究；⑤基于多目标综合控制方法的飞行/推进综合控制方法研究。.(1)高超声速飞行器飞行特性分析及其建模：对常用高超声速飞行器模型进行概述，并从控制的角度对乘波体模型动力学特性做了深入分析，凝练出控制系统设计的关键问题，为后续控制系统的针对性设计奠定了基础。.(2)基于自适应系统浸入和流形不变方法的高超声速飞行器鲁棒控制方法：针对高超声速飞行器参数不确定性和执行机构物理限制问题，结合动态逆思想和反步法，提出了一种基于自适应浸入与不变理论的抗饱和鲁棒自适应控制方案,仿真实验验证了控制方案的有效性。.(3)基于输出反馈的高超声速飞行器鲁棒控制方法：针对高超声速飞行状态下部分状态信息难以实时准确测量的问题，提出了基于自适应浸入与不变方法的输出反馈控制方案。仿真验证了控制方案的有效性和鲁棒性。.(4)不稳定零动态对自适应的系统浸入和流形不变方法的影响机制及多目标综合控制方法：针对高超声速飞行器非最小相位特性（不稳定零动态）带来的设计约束和刚体/弹性体闭环系统稳定性分析问题，提出了非最小相位鲁棒自适应控制方法。该方案将高度-航迹角和攻角-俯仰率子系统中的升降舵和鸭翼相关项各自等效为一个控制量，然后分别设计基于自适应浸入与不变理论的逆控制器和滑模控制器，进而得到两个子系统的等效控制量，最后推导出升降舵和鸭翼的实际偏转量。此外，结合高超声速飞行器实际飞行特性，给出了包含弹性模态的刚体/弹性体闭环系统稳定性分析。仿真验证了控制方案的有效性和鲁棒性。.在本项目支持下，目前已在国内外高水平刊物与会议上发表录用论文32篇，其中国际期刊SCI论文7篇，EI论文26篇；在项目研究成果的基础上，申请发明专利5项，实用新型专利1项，已经授权发明专利3项；培养博士生4人，开发了高超声速飞行器仿真验证平台，形成了基于自适应系统浸入和流形不变方法的高超声速飞行器控制方法。