高超声速飞行器建模及巡航跟踪控制技术研究

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1、中图分类号：V249.1,V412.4UDC分类号：629.7高超声速飞行器建模及巡航跟踪控制技术研究作者姓名赵林东学院名称宇航学院指导教师唐胜景教授答辩委员会主席刘莉教授申请学位工学博士学科专业飞行器设计学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月高超声速飞行器建模及巡航跟踪控制技术研究赵林东2015年6月ResearchonModelingandTrackingControlTechnologyforHypersonicVehicleduringCruisePhaseCandidateName：LindongZ

2、haoSchoolorDepartment:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:Prof.ShengjingTangChair,ThesisCommittee：Prof.LiLiuDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor：FlightVehicleDesignDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015高超声速飞行器建模及巡航跟踪控制技术研究北京理工大学研究成

3、果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要高超声速飞行器具有重要的军事战略价值和广泛的民用前景，是21世纪航空航天领域的研究热点。由于高超声速飞行器普遍采用轻质材料和机身/发动机

4、一体化技术，使得气动、推进与结构之间的耦合十分突出，动力学模型具有很强的非线性。同时由于严苛的飞行条件和大飞行包线，各种不确定因素和未知干扰必然存在。这些都对高超声速飞行器控制系统的设计提出了巨大的挑战。本文以通用的高超声速飞行器概念模型为研究对象，研究了巡航飞行阶段的鲁棒跟踪控制问题。为了给控制系统设计提供基础，采用牛顿欧拉方法建立了高超声速飞行器的六自由度运动方程，在一定的简化假设条件下得到了高超声速飞行器的纵向模型，并分别给出了飞行速度和飞行高度跟踪控制模型、纵向过载和飞行速度跟踪控制模型以及巡航攻角跟踪控制模型。

5、在高超声速飞行器对飞行速度和飞行高度的跟踪控制问题中，采用反馈线性化方法将高超声速飞行器纵向非线性模型进行了精确线性化，并以动态逆控制作为控制内环，以实现输入/输出之间的非线性解耦。当存在匹配不确定性时，基于滑模变结构方法设计外环跟踪控制系统。首先设计了一种普通滑模控制律，然后提出了一种指数时变积分滑模控制律，消除了滑模到达阶段，实现了全局的鲁棒性。仿真结果表明，动态逆控制具有良好的解耦效果，所设计的外环滑模控制律能够实现对速度指令和高度指令的准确跟踪，且对匹配不确定性引起的扰动具有良好的抑制能力。当存在非匹配不确定性时

6、，基于反步法的基本思想，将反步法、滑模变结构以及参数自适应律结合起来，设计了一种自适应反步变结构控制律；然后，为了改善传统反步法中对中间虚拟控制量求导运算带来的“微分项数爆炸”问题，引入一阶低通滤波器，设计了一种基于反步法的自适应动态面控制律。仿真结果表明所设计的控制律能够实现对速度指令和高度指令的准确跟踪，且都能有效抑制由系统非匹配不确定性所带来的扰动，具有较强的鲁棒性。在高超声速飞行器对纵向过载的跟踪控制问题中，首先根据精确线性化的条件对纵向过载模型进行了改进，即通过忽略高度状态量、忽略V、和关于h的偏导数

7、及引入纵向过载的积分作为一个虚拟输出量，使非线性纵向过载模型实现了精确线性化。然后在此基础上分别设计了线性二次型最优控制器和滑模变结构控制器，实现了I北京理工大学博士学位论文对纵向过载指令和速度指令的准确跟踪。仿真结果验证了控制系统的可行性和鲁棒性。在高超声速飞行器对巡航攻角的跟踪控制问题中，首先采用雅可比线性化方法得到了小扰动线性化模型，并基于此设计了一种模型参考自适应滑模控制律，实现对攻角指令的跟踪控制。其次，通过忽略高度状态量、忽略重力加速度随高度的变化并将攻角的积分作为一个虚拟输出量，实现了攻角跟踪控制模型的精确

8、线性化，基于此提出了一种自适应滑模控制律，实现对攻角指令和飞行速度指令的跟踪控制。在考虑参数不确定影响的情况下，仿真验证了所设计控制律的跟踪控制效果及对参数扰动的抑制能力。关键词：高超声速飞行器；巡航控制；反馈线性化；动态逆控制；滑模变结构控制；反步法控制；动态面控制；自适应控制II北京理工大学博士学位论文Abstr