高超声速飞行器面向控制建模与线性变参数控制

The research on hypersonic vehicles has received worldwide attention in recent years mainly due to their extensive application prospects and important strategic values. The technology of hypersonic flight is one of the most important technologies in the current and future development of aerospace fields. The development of hypersonic technology is faced with a large number of difficult problems to be solved because of the using of airframe-integrated scramjet engine and the complexity of aerodynamic characteristics. Among these problems, seeking better control-oriented model and designing effective attitude controller for the flight control systems of hypersonic vehicles are one of the major tasks in developing hypersonic vehicle technology..Compared with traditional flight vehicles, the design of flight control systems for hypersonic vehicles is a highly challenging task due to the unique characteristics of the vehicle dynamics, such as fast time-varying parameters, variously strong coupling effects, high nonlinearities, and grave uncertainties. Aiming at the key issues to accurate modeling, rigid stability, strong robustness and other control performances of hypersonic flight control systems, we will propose the control-oriented modeling methods and linear parameter-varying (LPV) control strategies for the attitude control systems of hypersonic vehicles. In accordance with the ideas of dynamics modeling preceding dynamic characteristic analysis, control-oriented modeling preceding control system design, rigid model preceding elastic model, state feedback control preceding output feedback control, and cruising state flight preceding large-envelope maneuvering flight, the research goes step by step, from simple to complex. The main contents in the advanced project are as follows: the precise control-oriented modeling for hypersonic vehicles, the LPV control strategy based on robust parametric approach, and continuous gain-scheduling control of flexible hypersonic vehicle models under the maneuvering condition of large envelope. These results would have important theoretical significance and reference value in the engineering practice. Moreover, the advanced project can provide technical support for the future development in our country of hypersonic vehicle technology.

高超声速飞行器由于采用了超燃冲压发动机、机体/发动机一体化等先进技术以及自身复杂的气动特性，使其动力学建模与姿态控制系统设计问题成为发展高超声速技术亟待解决的重大难题之一。与传统飞行器相比，高超声速飞行器具有快时变、强耦合、强非线性以及严重不确定性等特点。针对高超声速飞行器的精确建模、飞行控制中的高稳定性与强鲁棒性等关键问题，本项目拟开展高超声速飞行器姿态控制系统的面向控制建模方法和LPV控制理论研究。项目拟按照先动力学建模后动态特性分析、先面向控制建模后控制系统设计、先刚性模态后弹性模态、先状态反馈控制设计后输出反馈控制设计、先巡航状态飞行后大包线机动飞行的思路由浅入深、层层递进，深入研究高超声速飞行器的高精度面向控制建模、基于鲁棒参数化方法的LPV控制、大包线机动飞行条件下弹性模型的LPV连续变增益控制等内容。课题研究成果不仅具有重要理论意义，而且为我国发展高超声速飞行器提供技术支持。

高超声速飞行器由于采用超燃冲压发动机、机体/发动机一体化等先进技术以及自身复杂的气动特性，使其动力学建模与飞行控制系统设计问题成为发展高超声速技术亟待解决的重大难题之一。本项目按照先动力学建模后动态特性分析、先物理建模后面向控制建模、先刚体模态后弹性模态、先状态反馈控制后输出反馈控制、先巡航飞行控制后大包线机动飞行控制的研究思路，对高超声速飞行控制系统的建模与控制关键技术这一极富理论挑战性和工程发展前景的科学问题开展了深入研究，完成了高超声速飞行器的面向控制建模和基于LPV新方法的鲁棒变增益姿态控制技术研究。项目的主要研究结果如下：.（1）高精度面向控制的高超声速飞行器动力学建模研究.本项目在参考国内外高超声速飞行器典型动力学建模方法基础上，建立了具有典型构型的高超声速飞行器高精度动力学物理模型，并以此为基础对其飞行控制系统的动力学特性进行分析与归纳，然后建立了高精度的面向控制模型，最后通过合理的条件假设和采取适当的LPV系统建模方法，建立了具有弹性模态的LPV模型，为项目后续开展基于LPV方法的高超声速飞行器控制技术研究奠定基础。.（2）基于鲁棒参数化方法的高超声速飞行器LPV控制方法研究.为实现高超声速飞行器飞行控制系统的镇定控制和性能优化，本项目依次开展了基于鲁棒参数化方法的LPV状态反馈控制、LPV输出反馈控制以及LPV系统的多目标鲁棒参数化控制等方面的理论研究，并将得到的理论结果应用于刚性模型高超声速飞行器的巡航跟踪控制问题，非线性数值仿真结果说明了所设计的LPV控制方法的有效性和可行性。.（3）基于弹性高超声速飞行器模型的LPV连续稳定控制研究.鉴于低频弹性模态和高带宽控制系统动态之间的耦合作用极易导致控制和结构耦合失稳，在已建立的弹性LPV模型基础上，考虑到弹性效应在高超声速飞行器控制系统设计中影响和高超声速飞行器大包线机动飞行任务需求，为实现整个飞行包络中飞行控制系统的良好切换性能和有效控制，开展了大包线机动飞行条件下具有弹性模态的高超声速飞行器LPV连续稳定控制研究，得到了几种基于弹性LPV模型的高超声速飞行器鲁棒变增益控制技术。.本项目特色与创新之处在于：从理论上抓住飞行控制系统的LPV建模与控制设计科学问题进行层层深入研究，从应用上着力解决高超声速飞行控制系统设计的关键技术问题，为我国发展高超声速飞行器控制系统设计提供了新的基础理论和技术支持。