多约束条件下高超声速机动飞行的自适应控制策略研究

The hypersonic vehicle (HSV) is an important weapon to be used for contesting the air and space supremacy in the 21st century. So, carrying out the research of HSV maneuvers is of great significance to national defense for the accomplishment of penetration and strike missions. For the glide HSV, the fairly mature investigation has been conducted in reentry trajectory planning and control, but the research on its maneuver control theory is not sufficient. Firstly, this project studies the HSV flight control problem with multiple constraints including the maneuver states, control surfaces, attack incidence angle, etc. The continuous-time nonlinear generalized predictive control method with constraint indexes will be presented and combined with the new conjugate gradient anti-windup design, in order to tackle the problem of the state and control surface constraints. The modified Rodriguez parameter method is employed to express Euler angles so as to process the constraint of incidence angle. Secondly, the adaptive control problem during maneuvering flight will be researched for the HSV subjected to nearspace environment disturbances. The disturbance models of gravity waves and wind shear are proposed to be builded. The adaptive control method using self-organizing B-spline recurrent functional link network is to be presented to online estimate and compensate for the dynamical disturbances and uncertainties in the inner and outer loops. Meanwhile, the terminal attractor will be introduced to improve rapidity of the adaptive control algorithm and let the algorithm converge in the finite time. Ultimately, the theory and technology reference will be provided for the controller design of HSV maneuvering flight.

高超声速飞行器（HSV）是21世纪争夺制空制天权的杀手锏武器。为完成突防和打击任务，研究HSV的机动飞行具有重大国防意义。针对滑翔式HSV,再入轨迹规划与控制研究较为成熟,但其机动控制的理论研究还不充分。首先，本项目研究机动状态、控制舵面和打击入射角等多约束条件下的HSV飞行控制问题，提出含约束指标的连续时间非线性广义预测控制方法,并结合新的共轭梯度anti-windup设计来解决状态和舵面约束问题,提出改进Rodriguez参数法表达HSV欧拉角的方法来处理大入射角约束。其次，研究近空间环境干扰下的机动飞行自适应控制问题，提出建立重力波、风切变干扰下的HSV模型，提出自组织调整结构的B样条递归泛函连接网络自适应控制方法来进行内外环动态干扰和不确定的在线估计与补偿，并引入终端吸引子来提高自适应控制算法的快速性以使其有限时间内收敛。本课题将为HSV机动飞行控制器的设计提供理论依据和技术支持。

高超声速飞行器（HSV）是21 世纪争夺制空制天权的杀手锏武器。开展控制舵面、飞行状态等多约束条件下HSV机动飞行的非线性控制方法研究，寻求有效的自适应控制策略来实现近空间环境干扰中的快速稳定控制，具有重要的研究意义和价值。经过三年的研究，我们在以下方面获得了有意义的成果：.（1）本项目推导和确定了可用于高超声速再入机动飞行的HSV非线性数学模型。该模型基于圆球形大地假设条件，包含地球自转角速率、近空间大气扰动和反作用控制系统的影响，为项目开展提供了较为完整的对象十二状态方程。另外，对HORUS-2B飞行器进行了气动参数建模，得到了适用于大范围机动飞行仿真的飞行器对象。. （2）针对HSV控制舵面约束问题，提出改进粒子群算法优化外部anti-windup抗饱和补偿系统的方法，结合非线性广义预测控制来解决舵面约束对机动飞行姿态和航迹控制的影响，使受约束影响的飞行控制系统达到了接近标称系统的性能要求。针对此问题，还设计了抗舵面饱和辅助设计系统，结合backstepping动态面控制能够有效补偿舵面受限的影响。. （3）HSV在机动飞行时，通常对飞行状态如迎角、倾侧角有约束性要求。针对此约束问题，推导了基于Barrier李雅普诺夫函数的受限非线性广义预测控制律并证明其稳定性，HSV再入机动的仿真实验也验证了此受限控制律的有效性。. （4）针对控制回路中存在的近空间大气干扰等动态参数不确定和干扰，首次提出自组织调整结构的泛函连接网络自适应控制方法以改善估计效果和减少网络权值学习参数。HSV机动飞行仿真试验表明，该网络能够根据系统误差自适应调整结构，具有良好的干扰抑制能力。另外，针对此问题，还提出了改进滑模干扰观测器等鲁棒控制方法来抑制复合干扰影响，实现了HSV的再入横向机动飞行。. （5）搭建了再入机动飞行控制半物理仿真平台。通过HSV模型C#程序的开发、DSP的非线性控制算法开发与实现、舵机参数辨识、上下位机通信程序的开发以及闭环控制系统的整体调试，构成了能够实现机动飞行控制半物理仿真的基础实验平台。