高超声速飞行器耦合控制及安全控制研究

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1、学校代码10699分类号TP273密级公开学号2011100256题目高超声速飞行器耦合控制及安全控制研究作者李宪强学科、专业导航、制导与控制指导教师梁晋才申请学位日期2015年11月西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：高超声速飞行器耦合控制及安全控制研究作者：李宪强学科专业：导航、制导与控制指导教师：梁晋才周军2015年11月ResearchontheInterconnectedControlandSafetyControloftheHypersonicVehicleByLiXianqia

2、ngUndertheSupervisionofProfessorLiangJincaiandZhouJunADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofsystemengineeringXi’anP.R.ChinaNovember2015摘要摘要高超声速飞行器具有突防能力强、打击范围广、投送能力大的特点，因此已成为

3、目前飞行器设计领域内的研究热点。本文以高超声速再入滑翔飞行器为研究对象，围绕与其控制品质与安全特性方面密切相关的关键控制技术深入开展相应的耦合协调控制与安全控制研究。初步建立了一些相关的探索性、基础性的理论。（1）文中首先建立了高超声速再入飞行器姿态运动系统的全量耦合模型并面向控制对模型进行了仔细分析。其中设计了一种耦合特性分析方法，并采用此方法研究了模型中的耦合特性，为后续的控制策略和控制方法的设计打下了基础。（2）针对再入飞行器的偏航通道控制能力弱的特点，文中设计了可利用通道间耦合增强对侧滑角控

4、制能力的策略，并基于该策略设计了常规滑模控制方法，为了避免滑模切换控制律参数选取过大引起控制性能下降，文中还采用了自适应滑模控制方法，并对两者进行了对比和分析。经仿真验证，两种方法结合耦合利用策略，都能够保证对侧滑通道控制能力的增强。（3）当充分考虑再入飞行器气动中的非线性耦合特性时，其姿态系统模型是输入为非线性的非仿射系统。由于其中的输入是非线性的，因此不像仿射型的模型那样存在着明确的逆控制。对此本文针对非仿射系统设计了较为通用的控制策略和控制方法。在充分考虑再入飞行器舵效与状态间耦合的基础上，将

5、以上控制策略应用于再入飞行器姿态控制中，实现了对于再入飞行器非仿射模型的精确控制。（4）弹道与姿态间的耦合特性常会引起姿态角的稳态误差，此外由于这种耦合中含有系统的输入，因此其会降低系统输入输出的相对阶，使得设计非线性系统控制常用的输入输出反馈线性化方法变得难以适用，给控制的设计带来了困难。为了解决这个问题，本文基于考虑弹道与姿态间耦合的非线性模型，设计了一种转换策略，该策略能够有效地将原非线性系统转换成积分链式系统。然后在此基础上设计了一种可变阻尼的新型滑模控制方法，而且给出了相应的参数寻优方法。

6、经过仿真验证，以上策略和方法能够基本消除弹道与姿态间的耦合对于姿态控制系统的影响，提高了姿态角的控制精度。（5）为了增强再入飞行器的鲁棒性，以提高其控制系统的安全性，文中设计了一种通用的基于变结构控制的鲁棒性增强策略，其中在变结构控制方法设计中，对超扭曲滑模趋近律进行改进，设计了一种新型的快速超扭曲滑模趋近律。以上策略和方法相结合可以针对现有的控制方法进行鲁棒性改进，从而避免了重新设计控制器，因此不但降低了控制器设计的时间成本，而且可以提高鲁棒性，增强飞行器的安全特性。（6）再入飞行器大攻角飞行时，

7、会导致偏航形式的舵偏角失效，此外，大攻角情况下，耦合特性加重，还很容易引起另外两个通道的输入饱和。因此为了保证其在大攻I西北工业大学博士学位论文角飞行时的安全特性，本文设计了能够保证其在偏航舵失效情况下的控制方法，并在设计控制器时充分考虑了系统输入的幅值约束特性。在控制器的设计过程中，基于时标分离假设将姿态系统分为快回路和慢回路子系统，然后针对慢回路子系统，采用新型的高阶滑模控制方法设计了一种连续、可导且有限时间收敛的控制器。在快回路中，设计了一种自适应分层滑模控制方法，并证明了其存在输入幅值约束时

8、的稳定性。（7）文中最后将各章节提出的耦合控制策略和方法综合应用于再入飞行器的控制中，实现了对再入飞行器的安全控制。论文主要是围绕高超声速再入飞行器的姿态控制技术展开研究，根据不同的耦合特性设计了相应的耦合协调控制策略和方法；此外文中还研究了高超声速再入飞行器大攻角飞行中的控制器安全设计问题和旨在增强安全特性的鲁棒性增强策略和方法。以上策略和方法主要是基于再入飞行器在实际过程中所出现的实际理论问题而研究的，因此不但具有一定的理论价值，而且在中具有一定的工程应用价值。关