静不稳定飞翼无人机机动飞行控制技术研究

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1、中图分类号：V249论文编号：102870315-B006学科分类号：081105博士学位论文静不稳定飞翼无人机机动飞行控制技术研究研究生姓名杨艺学科、专业导航、制导与控制研究方向飞行控制系统设计指导教师陈欣研究员南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年十月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResrarchonManeuverFlightControlTechnologyforStat

2、icUnstableFlying-WingUnmannedAerialVehichleAThesisinControlScienceandControlEngineeringByYANGYiAdvisedbyProf.CHENXinSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyOctober,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包

3、含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要静不稳定飞翼布局无人机系统以其先进的气动特性、突出的隐身性能与机动性能在军事领域具有极强的战略、战术价值与广泛的应用前景。论文针对此类高性能无人驾驶飞行器平台，提出了一种机动飞行控制器的设计方法。即使在面临内部不确定

4、性与外部扰动环境下，仍能出色地完成纵、横向机动飞行动作，从而充分发挥了静不稳定飞翼布局无人机的飞行潜能，并提高了飞行控制系统的鲁棒性与适应性。论文首先分析了飞翼布局无人机系统的发展历程与研究现状以及机动飞行能力带来的优越性，并深入研究了机动飞行控制中亟需解决的关键技术问题。针对样例静不稳定飞翼无人机的气动特点，建立了六自由度非线性运动学、动力学数学模型，并据此分析了其在机动飞行中出现的运动、气动以及操纵耦合等复杂的非线性特性。同时阐述了静不稳定性与飞翼布局对上述耦合特性产生的附加影响，获得了样例无人机所具备的机动飞行能限。其次，提出了整

5、个闭环机动飞行控制系统的总体框架结构与设计方案。通过对方案的分析研究确定了内、外回路控制器与控制分配环节在飞行控制系统中的具体功能与作用，以及内回路主-辅控制器之间相互依存、互为补充的关系。在此基础上，设计了一种基于鲁棒伺服非线性逆控制与鲁棒模型参考自适应控制相结合的纵、横向内回路主控制器：其中，鲁棒伺服非线性逆控制用于抵消机动飞行中的非线性耦合项，并实现对确定形式的期望指令的无差跟踪以及对确定形式的扰动的有效抑制；以加入鲁棒伺服非线性逆控制后的理想闭环系统为参考模型，构造了一种能够适应于任意相对阶系统的鲁棒模型参考自适应控制器，不但增

6、强了鲁棒伺服非线性逆控制的鲁棒性，并且实现了两种控制方式的完美融合。通过理论分析，证明了内回路主控制器的指令跟踪性能与鲁棒性能。再次，研究了基于H最优控制的内回路辅助控制器构造方法与设计步骤。在辅助控制器的构造中，将闭环自适应系统的参数估计误差项与不确定性一并看作跟踪误差动态系统中的综合扰动部分，通过设计满足适当性能指标的H辅助控制器来削弱该综合扰动部分对跟踪差的影响，从而在很大程度上提升了闭环系统的瞬态响应性能。同时还指出：闭环系统瞬态性能的改善程度与H补偿器的性能指标的选取密切相关。论文从理论上证明了加入H辅助控制器极大地改

7、善了系统瞬态响应性能，且不会对内回路主控制器的理想特性产生影响。在完成内回路主-辅控制器设计的基础上，给出了外回路鲁棒自适应逆控制器的设计方法与稳定性分析结论。接着，通过分析控制分配环节当中所存在的执行器物理限制、舵效随飞行状态呈现非线性变化，以及操纵面产生的三轴力矩耦合等问题，提出了一种变权重动态控制分配算法。该算法保留了线性分配方法的快速、直接等特点，从而保证了控制分配的实时性；并采用变权重的方式使得线性度较好的执行器拥有较大的分配权限，从而有效地减小了执行器非线性造成的控制I飞行控制系统数字化设计顶层建模与模型集成技术研究分配误差

8、。通过求解二次规划最优问题，以一种离散滤波器的形式实现了动态过程中分配精度与分配步长之间的平衡。最后，为了验证所提出的机动飞行控制器的正确性与有效性，论文以样例静不稳定飞翼布局无人机为被控对象，搭建了数值仿