高超声速飞行器动态面自适应反演及复合优化控制

近空间高超声速飞行器技术是二十一世纪航空航天技术的制高点。由于近空间高超声速飞行器飞行环境的特殊性，单一舵面控制无法完成飞行任务，必须采用基于两种执行机构的气动力/推力矢量复合控制；同时由于飞行特性的强时变、强耦合、强非线性，对其控制系统设计提出了更高要求。本项目针对高超声速飞行器参数变化范围大、结构和参数不确定因素强、通道耦合度高等特性，拟采用基于攻角、侧滑角观测器的动态面自适应反演的设计方法，用非线性分配策略实现舵面控制与推力矢量控制的最优分配，来重点解决近空间高超声速飞行器非线性系统的建模与控制、跨空域大包线飞行时受限多执行机构复合控制的优化问题以及高空飞行出现传感器故障时的系统状态量、控制律重构问题这三个核心问题。研究成果对建立和丰富具有我国特色的近空间高超声速飞行器控制理论体系有一定的借鉴意义，提高我国该领域原始创新能力具有参考价值。

本项目从高超声速飞行器建模与分析、非线性观测器设计、复合控制和控制分配四大方面进行了较为深入的研究。.首先，建立和完善了一类近空间高超声速飞行器的六自由度非线性模型。开环分析表明所建模型能够体现出高超声速飞行器复杂的非线性、强耦合性以及快速时变性等特点，可以为开展近空间高超声速飞行器控制问题的研究提供测试平台。. 其次，分别针对飞行器模型精确已知，以及非线性动力学系统具有不确定项两种情况，研究了高超声速飞行器的飞行控制系统设计问题。当模型精确已知时，论文应用自适应反演技术设计了非线性控制系统。在自适应反演设计时，采用动态面设计方法，引入一阶滤波器，得到虚拟控制量的微分，消除传统反演设计中的“项数膨胀”的问题；用Lyapunov稳定性定理保证误差一致有界。仿真实验验证了该算法的有效性。. 分析了放宽静稳定技术对飞行器飞行阻力与耗油量的影响，估算出飞行器的耗油量随重心变化的减少程度，并根据小扰动模型设计了飞行器的放宽静稳定控制系统与跟踪控制系统。. 针对高超声速飞行器飞行过程中部分作动器故障问题，提出了基于k-滤波器的高超声速飞行器自适应反演容错控制方法。针对高超声速飞行器迎角不易测量问题，设计了高超声速飞行器三通道迎角观测器及控制器，并用Lyapunov函数证明稳定性。. 最后，本项目建立具有气动力/推力矢量复合控制的高超声速飞行器动力学模型,，采用基于参考模型的复合控制分配方案，使气动力/推力矢量动态分配过程中复合执行机构等效动态特性与参考模一致，并进行高超声速飞行器复合控制算法三通道6DOF全弹道仿真。