基于lpv模型的高超声速飞行器鲁棒预测控制方法研究

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1、国家自然基金面上项目No.61074064天津市应用基础及前沿技术研究计划（天津市自然基金）No.12JCZDJC30300天津大学硕士学位论文基于LPV模型的高超声速飞行器鲁棒预测控制方法研究ResearchonrobustmodelpredictivecontrolbasedonLPVmodelforhypersonicvehicles学科专业：控制科学与工程研究生：张少康指导教师：胡超芳副教授天津大学电气与自动化学院二零一四年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他

2、人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要高超

3、声速飞行器因其极快的速度、特殊的飞行高度，受到极大关注。高超声速飞行器的稳定控制算法设计是整体高超声速飞行项目中不可或缺的一环。针对高超声速飞行器飞行参考指令的大范围变化，外部干扰信号的影响和参数变化的影响，本文采用了基于线性参变(LPV)模型的鲁棒预测控制方法设计高超声速飞行器稳定控制系统。为解决高超声速飞行器在外部干扰影响下的稳定控制的问题，建立了高超声速飞行器多胞LPV模型并采用鲁棒预测控制方法设计控制器。使用张量积建模方法对高超声速飞行器雅可比线性化矩阵进行数据采样和高阶奇异值分解，求得了高超声速飞行器多胞LPV模型。鲁棒预测控制器引入范数有界技术，将受扰动影响

4、的高超声速飞行器预测状态限制在一个不变椭圆约束之内。不变椭圆约束被转化为等效的线性矩阵不等式(LMI)约束,并利用LMI求解器离线进行优化求解。针对LMI离线计算不变椭圆导致高超声速飞行器控制系统最优性不足的问题，引入动态规划和变控制时域预测控制的方法。在距离高超声速飞行器多胞LPV系统稳定点较近的邻域内,由内向外逐步建立多个嵌套的不变椭圆。多个椭圆的建立使得预测控制的控制时域可变，相当于增加了离线LMI优化计算的自由度。该方法既能使得系统有较大的收敛域面积，又改善了高超声速飞行器控制系统的最优性。为了处理高超声速飞行器大范围的跟踪控制问题和参数变化问题，结合反馈线性化

5、和最优化函数得到了大包线LPV模型，并设计了输入状态稳定的预测控制器。高超声速飞行器原始非线性系统的变化参数被转化为大包线LPV模型中的多个顶点和有界外部扰动。预测控制通过LMI构建了二次型形式的局部输入状态稳定(ISS)李雅普诺夫函数与有界干扰的不等式关系，实现了大包线LPV系统的ISS稳定。在有界外部干扰的作用下，ISS稳定的大包线LPV系统状态是有界的。最终即实现了高超声速飞行器在参数变化条件下的大飞行包线的跟踪控制。关键词：高超声速飞行器鲁棒预测控制张量积反馈线性化LPV模型ABSTRACTDuetoitsastonishingspeedandrarelyexp

6、loredflightaltitude,hypersonicvehiclehaveattractedsomuchattention.Stablecontrolalgorithmdesignplaysavitalroleinthewholehypersonicflyingproject.Totrackthereferencesignalsofwideranges,suppresstheeffectsofdisturbancesandvaryingparameters,themethodofrobustmodelpredictivecontrolbasedonLPVmode

7、listakenadvantageoftodesignthehypersonicvehiclecontrolsystem.Toachievestablecontrolandrestrainthedisturbance,thepolytopicLPVmodelofthehypersonicvehicleisestablished,androbustMPCcontrollerisdesigned.Tensor-productmodelingmethodisusedtogetthesuitablepolytopicLPVmodel.Theten