吸气式乘波体高超声速飞行器动态分析与非线性鲁棒自适应跟踪控制研究

乘波体高超声速飞行器具有高升阻比等优势，但其推进-气动-热动-结构弹性强烈耦合、高度非线性、动力学/运动学模型的高不确定性，以及承受的外界剧烈扰动，使姿态与航迹的精确跟踪控制难度极大。本项目主要以装备吸气式超燃冲压发动机的乘波体构型高超声速飞行器为研究对象，采用理论与实验相结合的研究方法，建立充分描述高超声速飞行器的耦合特性，与控制关联的，便于控制设计的动力学模型。构造非奇异性飞行器运动学模型。研究非线性鲁棒自适应反馈控制器，消除模型不确定性和外界强烈扰动的影响，实现姿态和航迹的高精度跟踪控制。研究传感器主动配置与非线性鲁棒输出反馈控制设计，在部分飞行状态不可测量的条件下，抑制扰动和参数摄动的影响，实现姿态镇定与航迹稳定跟踪。通过理论分析保证闭环系统的稳定性和收敛性，并在半物理仿真实验平台上验证建立的模型和所提出的控制设计。

本项目主要以吸气式乘波体构型高超声速飞行器为研究对象，建立了充分描述高超声速飞行器动态特性的动力学模型。研究非线性鲁棒自适应反馈控制设计和输出反馈控制设计，消除了模型不确定性和外界强烈扰动的影响，实现姿态和航迹的高精度跟踪控制。主要完成的工作包括：.(1)高超声速飞行器动力学建模。分析了一类吸气式乘波体构型高超声速飞行器的飞行动态特性，建立了包括CFD计算数据拟合模型、 面向控制设计的模型/包含鸭翼控制效果的动态模型等在内的三个非线性动力学模型，作为开展控制设计的基础。.(2) 硬件在环半实物仿真平台。使用Matlab/Simulink及RTK实时内核搭建了高超声速飞行器平台的主框架，将高超声速飞行器的惯性导航传感器及作动器控制系统融入平台之中。并且利用了开源飞行模拟软件为仿真平台增添了高超声速飞行器的位置、姿态以及航迹的三维可视化显示功能。.(3) 连续非线性鲁棒飞行控制器设计。针带有结构不确定性，并承受未知外部扰动的高超声速飞行器纵向动态模型，提出连续非线性鲁棒控制设计方法。利用节流阀设置及升降舵偏角作为控制输入，实现了飞行器高度/速度的半全局渐进稳定跟踪控制。.(4) 非线性输出反馈设计。在高超声速飞行器中只有速度和高度可测量的限制条件下，采用高增益观测器来分别估计前面线性化过程中出现的速度和高度的各高阶导数项；同时设计了基于径向基神经网络的前馈控制，补偿飞行器动力学模型中存在的部分不确定结构与参数，提高了跟踪控制效果。.(5)光滑非线性飞行控制设计。基于反步法，为高超声速飞行器设计了一种新的光滑非线性鲁棒反馈控制策略，利用双曲正切函数作为鲁棒项，补偿系统建模不确定性，利用参数自适应控制设计，补偿输入项未知参数，采用积分误差信号进行控制设计，避免了使用不可测量的状态高阶导数项，提出的控制设计连续可微。.(6) 基于观测器的飞行控制设计。设计了一种改进高增益观测器，用于估计高超声速飞行器的建模不确定部分和外界扰动，并设计了非线性反馈控制器，能够有效地补偿模型不确定性和外界扰动的影响，实现了对飞行器的速度、高度和攻角的跟踪控制。.(7) 补偿弹性模态影响的飞行控制设计。分别利用通过基于反步法设计的状态反馈部分和改进的半连续鲁棒控制进行补偿，实现了对飞行器速度、高度和攻角的渐进稳定跟踪控制，并且控制器连续、一阶可微。