参数大范围快速时变飞行器的控制综合方法研究

Advanced aircrafts persuit abilities of high velocity and large maneuver within full flight envelope.In this case, the dynamical model is with large and fast parameter variation, and control system design suffers the diffculties of stability ananlysis and control synthesis. In this work, we establish the switched polytopic system for advanced aircrafts with large and fast parameter variation.By this modelling method, the model can include the dynamics of equilibrium and non-equilibrium points, which benefits for full-envelope stability analysis and allows the system dynamics to vary along the non-equilibrium points. Afterwards,we propose new stability analysis and control synthesis methods by new concept of sign-stability theory for switched systems, and then perform system stability analysis and control synthesis utilizing simple and intuitionistic sign analysis of matrices. This method is effective for improving the control design efficiency and relaxing the restriction of control system design depending on the solvability of linear matrix inequalites. Finally, we validate our proposed methods by attitude control system design and semi-physical experiments of advanced crew exploration vehicle 'Clipper' in entry phase.

目前，先进飞行器多追求高速、大机动、全包线飞行能力，飞行过程中动力学参数大范围快速时变，控制系统设计面临全包线稳定性分析与控制综合的棘手问题。为此，本项目提出一套新的飞行器切换多胞系统建模方法，涵盖全包线内平衡点和非平衡点处的动力学特性，为参数大范围快速时变下的飞行稳定性分析奠定模型基础，突破现有切换多胞系统模型仅适用于描述飞行器沿平衡点飞行、无法表征大机动飞行时非平衡点动力学特性的技术瓶颈。进一步，提出切换系统符号稳定概念，建立参数大范围快速时变飞行器的稳定性分析与控制综合方法，通过直观简单的矩阵符号分析系统动态，突破现有控制综合框架设计效率低、依赖LMI可解实现系统设计的技术局限，建立特征点控制器设计评估方法，直接指导各特征点控制器设计。最后，开展载人飞船Clipper再入返回姿态控制系统综合研究，并通过半实物仿真，全面验证本项目理论方法的工程可实施性。

本项目研究面向全飞行包线状态点的飞行器切换多胞系统(SPS)建模方法，建立切换系统稳定的符号矩阵表达体系，并以升力式载人飞船再入返回为背景，对提出的理论方法进行了验证。. 在面向全飞行包线状态点的SPS建模方面，建立了系统的飞行器飞行状态点线性化、特征点选取、SPS模型验证与修正方法；在此基础上，提出了适应飞行器沿预定轨迹飞行或作大机动飞行两种情况下的SPS建模方法。. 在基于切换系统符号稳定概念的SPS稳定性分析与控制综合方面，提出了切换系统符号稳定概念和切换系统稳定性判据的矩阵符号表达方法，建立了特征点控制系统的符号稳定性与SPS模型的符号稳定性间的关系，提出了以矩阵符号表达体系为基础的控制器设计与评估方法。. 在升力式载人飞船再入返回控制系统设计与综合方面，建立了飞船再入返回的全弹道SPS 模型，完成了飞行弹道上典型特征点的PD控制器设计以及控制综合。最后，建立了飞船再入返回6-DOF仿真平台和可视化仿真环境，开展半实物仿真，验证了所提理论方法的有效性。