斜翼近空间飞行器非线性鲁棒受限控制技术研究

对于斜翼近空间飞行器这类具有强非线性、强耦合和参数快时变特点的飞行系统来说，飞行包络大、工作环境未知且受到各种干扰的影响，因而其鲁棒飞行控制是目前控制领域的一个研究热点。由于斜翼近空间飞行器各作动器所能提供的控制总能量是有限的，如何在有限控制能量和时变外部干扰条件下，保证近空间飞行器精确轨迹控制与姿态控制，使其适应时变工作环境，保持良好飞行控制性能具有重要的意义。本项目针对斜翼近空间飞行器提出非线性鲁棒受限控制技术，引入输入限制影响分析系统对非对称输入限制影响进行在线评估，并将评估结果应用于飞行控制器设计使控制指令有界。同时设计具有有限时间收敛属性的非线性干扰观测器对时变干扰和未知控制输入限制进行逼近，并基于非线性干扰观测器输出设计非线性鲁棒受限控制。所提出的非线性鲁棒受限控制能保证在作动器所提供的有界力和力矩下实现斜翼近空间飞行器的协调飞行。

具有输入饱和的斜翼近空间飞行器(NSVOW)的鲁棒受限飞行控制系统设计是一项富有挑战性的课题。本项目围绕这一问题，研究了NSVOW在具有参数不确定、外部干扰和输入饱和等综合影响下的鲁棒受限姿态控制方法。项目主要工作内容如下：(1)研究了NSVOW六自由度十二状态飞行运动数学模型，并通过仿真分析了NSVOW的开环稳定性和耦合性。为了后续研究方便，根据奇异摄动理论和时标分离原则给出了具有仿射非线性方程形式的NSVOW姿态运动系统模型方程。同时对NSVOW控制系统进行分析与设计，给出了控制器设计总体思路。(2)利用滑模控制方法对具有参数不确定、外部干扰和输入饱和的NSVOW姿态运动进行了鲁棒控制器设计。通过非线性干扰观测器对系统中的复合干扰进行逼近，利用径向基神经网络构造一种饱和补偿器来解决舵面饱和受限问题。(3)针对具有参数不确定和外界干扰的NSVOW系统，设计了基于泛函连接网络的干扰观测器，并利用滑模控制方法给出了基于泛函连接网络干扰观测器的鲁棒飞行控制方法。(4) 针对具有输入饱和及复合干扰的NSVOW姿态运动，研究了结合动态面方法、非线性干扰观测器和辅助分析系统的鲁棒飞行控制方法。(5)针对NSVOW输入饱和问题，利用双曲正切函数对非线性姿态系统进行等效变换，在此基础上提出了基于递归小波神经网络干扰观测器和动态面方法的NSVOW鲁棒飞行控制方法。(6)结合终端滑模控制方法与干扰观测器方法对具有输入饱和的NSVOW设计了具有有限时间收敛性能的抗干扰飞行控制器。(7)结合滑模控制和非线性干扰观测器对一类具有执行机构故障和输入饱和受限的不确定NSVOW系统进行容错控制器设计，并在控制律中通过增加补偿项来消除输入饱和给飞行系统所带来的影响。(8)研究了具有输入回滞的NSVOW姿态控制律设计问题。引入类反斜线回滞模型，基于干扰观测器设计了滑模飞行控制律跟踪系统期望输出。(9)基于backstepping方法和神经网络对具有输入饱和与死区的近空间飞行器设计了鲁棒保性能跟踪控制器，解决了存在输入饱和与死区的NSVOW鲁棒控制问题。(10)将主动集方法引入到控制分配方法的设计当中，研究了基于Sequential least squares的控制分配算法。(11)针对具有不确定和未知时变外部干扰的近空间飞行器提出了一种基于神经网络的自适应动态受限控制分配方法。