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空天飞行器多模型鲁棒控制研究

作　者: 钱承山
导　师: 吴庆宪
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 空天飞行器再入建模非线性系统飞行控制鲁棒性多模型切换控制 T-S模糊控制
分类号: V448
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

空天飞行器(Aerospace Vehicle, ASV)是各国大力发展的新型航空航天飞行器之一,具有重要的军事价值和民用价值。美国等国家都制定了各自的空天飞行器研究计划,且取得了许多重大进展,而目前我国在高超声速方面尚处于起步阶段,很多关键问题还需要深入研究。ASV再入大气层过程中气动参数变化剧烈、控制精度要求高,使得控制系统设计面临许多挑战,其姿态控制系统的设计是一项非常前沿的研究课题。本文围绕这一问题,对ASV再入姿态飞行控制系统设计展开系统研究,并通过理论分析和仿真予以验证。获得的主要结果如下:首先,重点考虑了ASV在跨大气层再入飞行时空气稀薄、气动舵面低效或失效且推力系统关机不能提供推力矢量的情况下,建立了ASV在跨大气层再入时的数学仿真模型,所建数学模型包含完整的6自由度动力学方程和运动方程。气动力和力矩系数是迎角、马赫数、高度及控制舵面偏角的函数,反作用控制系统(RCS)推进器属于开关型的,控制量可近似为常值开关型的量。开环特性分析说明整个模型能够体现出ASV复杂的非线性、耦合性以及快时变性等特点,可满足新一代高超声速飞行器轨迹优化、姿态控制等问题的概念设计和仿真研究。其次,研究了ASV再入跨大气层飞行时的姿态控制问题,建立了ASV再入多区域T-S模糊模型,在各区域设计区域T-S模糊控制器,这样在模糊规则数相同的情况下由于模糊论域的变小从而提高了控制精度。在ASV跨大气层再入飞行时,通过RCS中的反作用发动机推力产生控制力矩来控制ASV的姿态,以补偿气动舵面操纵失效或者部分失效而引起的控制力矩不足;随着空气密度的增加,气动舵面逐步介入控制系统,RCS随之逐步退出。考虑ASV在空气稀薄、气动舵面低效或失效的情况,设计了基于反作用发动机推力的ASV再入姿态飞行控制系统。接着,研究了ASV再入姿态广义模糊多模型跟踪控制问题,通过把一般的模糊模型等价变换到广义模糊模型,从而引入了松弛变量,可以直接求解同一组线性矩阵不等式(LMIs)就能获得全部参数的解,使得求解LMIs的可行性更大,降低了局限性。随后,考虑到ASV再入飞行中很难对各种外界干扰有足够的认识,因此提出新的基于补偿的多模型切换组合控制策略。设计非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer, NDO)来估计外界干扰,通过相应的反馈补偿控制律削弱或抵消外界干扰。基于Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性,仿真结果表明新方案不仅有效且可以提高不确定条件下系统的控制性能和鲁棒性。最后,提出一种基于局部T-S模型的非线性系统非脆弱多模型切换控制,且考虑控制器存在可加性摄动的情况下,给出了非脆弱状态反馈控制器的设计方案。将所设计方案应用到ASV再入姿态飞控系统并进行了仿真,仿真结果表明所设计方案降低了控制器对其本身参数摄动的敏感性,亦即提高了控制器的非脆弱性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第一章绪论  16-26
  1.1 本课题的研究背景  16-18
  1.2 研究目的和意义  18-19
  1.3 研究现状  19-24
    1.3.1 现代飞行控制系统的研究现状  19-21
    1.3.2 多模型控制研究现状  21-23
    1.3.3 再入飞行控制研究现状  23-24
  1.4 本文主要工作及结构安排  24-26
第二章空天飞行器再入数学建模及分析  26-44
  2.1 引言  26
  2.2 ASV 气动外形及其RCS  26-28
  2.3 ASV 再入六自由度非线性方程组  28-33
    2.3.1 ASV 再入数学模型  28-30
    2.3.2 空气动力和力矩模型  30
    2.3.3 RCS 发动机推力和力矩模型  30-33
  2.4 ASV 再入开环特性分析  33-36
    2.4.1 零输入响应  33-35
    2.4.2 开环耦合特性分析  35-36
  2.5 基于时标分离的 ASV 再入仿射非线性模型  36-40
  2.6 ASV 再入约束条件及标称参考返回轨道  40-43
  2.7 小结  43-44
第三章空天飞行器再入多模型描述、切换及其稳定性分析  44-63
  3.1 引言  44
  3.2 多模型控制方法的基本原理  44-47
    3.2.1 多模型集合的建立  45-46
    3.2.2 多模型控制器的构成  46-47
  3.3 ASV 再入数学模型的多模型描述  47-50
  3.4 多模型切换系统的稳定性分析  50-52
    3.4.1 切换系统在任意切换信号下均稳定的条件  50-51
    3.4.2 切换系统在受限的切换规律信号下的稳定性  51
    3.4.3 稳定切换信号的设计  51-52
  3.5 多模型切换控制器设计  52-55
  3.6 空天飞行器再入姿态镇定仿真验证  55-62
    3.6.1 快回路T-S 模糊控制系统设计  56-57
    3.6.2 慢回路T-S 模糊控制系统设计  57-58
    3.6.3 仿真曲线  58-62
  3.7 小结  62-63
第四章空天飞行器再入姿态多模型切换跟踪控制  63-79
  4.1 引言  63
  4.2 非线性系统多模型切换控制方法  63-68
    4.2.1 问题描述  63-65
    4.2.2 基于区域T-S 模型的非线性系统多模型切换控制的稳定性  65-68
  4.3 基于多模型方法的 ASV 再入姿态飞控系统设计  68-73
    4.3.1 ASV 再入姿态慢回路控制器设计  69-71
    4.3.2 ASV 再入姿态快回路控制器设计  71-73
  4.4 空天飞行器仿真验证  73-78
  4.5 小结  78-79
第五章空天飞行器再入姿态广义模糊多模型跟踪控制  79-95
  5.1 引言  79
  5.2 非线性系统多模型切换跟踪控制  79-89
    5.2.1 问题描述  79-81
    5.2.2 区域广义模糊系统的构造  81-83
    5.2.3 基于区域广义T-S 模糊模型的非线性系统多模型切换控制的稳定性  83-89
  5.3 ASV 再入姿态多模型切换跟踪控制  89-90
  5.4 空天飞行器仿真验证  90-94
  5.5 小结  94-95
第六章空天飞行器基于NDO 的再入姿态多模型控制  95-111
  6.1 引言  95
  6.2 扰动系统稳定性理论  95-96
  6.3 问题描述  96-102
  6.4 基于NDO 的多模型切换控制  102-105
    6.4.1 NDO 的描述  103-104
    6.4.2 基于NDO 的多模型切换控制稳定性分析  104-105
  6.5 ASV 基于NDO 的再入姿态多模型切换组合控制  105-108
    6.5.1 标称系统慢回路控制器设计  107
    6.5.2 标称系统快回路控制器设计  107-108
    6.5.3 不确定扰动情况下基于 NDO 的控制律  108
  6.6 空天飞行器仿真验证  108-110
  6.7 小结  110-111
第七章空天飞行器再入姿态非脆弱多模型切换控制  111-122
  7.1 引言  111
  7.2 非线性系统多模型切换控制方法  111-116
    7.2.1 问题描述  111-112
    7.2.2 非脆弱控制器设计  112-113
    7.2.3 非线性系统非脆弱多模型切换控制稳定性  113-116
  7.3 空天飞行器仿真验证  116-121
  7.4 小结  121-122
第八章总结与展望  122-125
  8.1 主要工作  122-123
  8.2 本文的不足之处和需要进一步研究的问题  123-125
参考文献  125-140
致谢  140-141
在学期间的研究成果及发表的学术论文  141-142

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