高超声速飞行器快时变鲁棒增益调度控制研究

Control problem is one of the focuses and difficulties in the research on hypersonic flight technique. Based on LFT(Linear Fractional Transformation)/H∞ robust gain scheduling theory, the special control problem introduced by the strong uncertainty and widely fast time-varying characteristics of air-breathing hypersonic flight vehicle will be studied in this project. By analysing the physical properties of the hypersonic flight vehicle and the characteristics of the working conditions, a nonlinear model of the hypersonic flight vehicle will be built. Based on IQC (Integral Quadratic Constraint) frame, the integrated optimal resolving conditions for robust gain scheduling control will be established by comprehensively considering the problems of limiting fast mode of the controller by regional pole placement, reducing the system design conservatism by constructing the multiplier structure and dealing with complex uncertainty structures by S-procedure. The robust gain scheduling method obtained in this project can lay theoretic and technical foundation for solving the problem of hypersonic flight vehicle control.

控制问题是高超声速飞行技术研究的重点和难点。本项目以LFT(Linear Fractional Transformation)/H∞鲁棒增益调度理论为基础，研究强不确定性及动力学大范围快时变特性给吸气式高超声速飞行器控制所带来的特殊问题。通过分析高超声速飞行器物理属性及工作环境特性，构建高超声速飞行器非线性模型；以IQC(Integral Quadratic Constraint)框架为基础，综合考虑采用区域极点配置方法抑制控制器快模态、通过构造乘法算子结构降低系统设计保守性以及运用S-procedure处理复杂不确定性结构等问题，建立鲁棒增益调度控制的综合优化求解条件。通过本项目的研究所得到的鲁棒增益调度方法可为解决高超声速飞行器控制问题奠定理论和技术基础。

根据所研究的高超声速飞行器的飞行环境和飞行状态，建立高超声速飞行器的运动模型。基于小扰动假设，在平衡状态上对非线性运动方程组进行线性化，得到扰动运动方程，并以此推出传递函数，对该高超声速飞行器的动态特性进行分析。分析得到该飞行器稳定性较差，当速度较高时，甚至达到不稳定状态。针对高超声速飞行器大范围快时变的运动特性，将系统的时变参数等不确定因素从系统中剥离出来并进行了明确定义，建立了由标称部分和不确定部分构成的LFT(Linear Fractional Transformation)模型，并将其应用于鲁棒增益调度控制方法的研究中。.以IQC(Integral Quadratic Constraint)框架为基础，提出了在保证鲁棒性能的前提下通过区域极点配置抑制控制器快模态的方法；通过运用S-procedure处理复杂不确定性结构，完成了不确定性部分和确定性部分的分离；研究乘法算子的结构，构造了满块乘法算子降低系统设计保守性。综合考虑控制器快模态抑制，降低设计保守性以及S-procedure的应用，建立了满足性能指标以及区域极点配置约束的综合凸优化求解条件。使用上述求解条件为高超声速飞行器纵向短周期运动设计了鲁棒增益调度控制器，仿真结果显示飞行器动态特性得到了大幅度改善，以此验证了方法的可行性。