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【6h】

基于高超声速飞行器纵向模型的H∞及抗饱和鲁棒控制研究

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声明

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2高超声速飞行器研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3高超声速飞行器控制研究概述

1.4本文的主要内容

2高超声速飞行器的建模与模型分析

2.1引言

2.2飞行力学基本概念

2.2.1常用坐标系定义

2.2.2常用角度定义

2.3高超声速飞行器基本结构与参数

2.4高超声速飞行器运动方程

2.5各个子模型

2.5.1标准大气模型

2.5.2空气动力和力矩模型

2.5.3发动机和推力模型

2.5.4转动惯量模型

2.6本章小结

3高超声速飞行器模型线性化及极点配置设计

3.1引言

3.2高超声速飞行器纵向模型的线性化

3.2.1高超声速飞行器平衡态初始值的求取

3.2.2小扰动线性化

3.3高超声速飞行器纵向模型特性分析

3.4高超声速飞行器极点配置分析

3.4.1极点配置问题描述

3.4.2仿真算例

3.5本章小结

4高超声速飞行器鲁棒LQG及H∞控制研究

4.1引言

4.2线性二次型Gauss控制

4.2.1问题描述

4.2.2LQG控制器设计

4.2.3仿真算例

4.3高超声速飞行器鲁棒H∞控制

4.3.1H∞鲁棒控制问题

4.3.2H∞干扰抑制问题描述

4.3.3仿真算例

4.5本章小结

5高超声速飞行器抗饱和非线性控制研究

5.1引言

5.2抗饱和非线性特性描述

5.3高超声速飞行器无饱和非线性特性的标称控制器设计

5.3.1基于LQR的标称闭环系统的设计

5.3.2仿真算例

5.4高超声速飞行器抗饱和控制设计

5.4.1指数不稳定е2抗饱和补偿器实现描述

5.4.2高超声速飞行器抗饱和补偿器设计

5.4.3仿真算例

5.5本章小结

6结论与展望

6.1本文的主要工作

6.2工作展望

致 谢

参考文献

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摘要

高超声速飞行器技术是近空间探索领域中的一个全新研究课题,针对复杂的飞行环境和特殊任务需要,如何有效地设计飞行控制系统是整个航天活动成败的一个关键问题。本文以某通用高超声速飞行器纵向模型为研究对象,主要就影响飞行性能的干扰与饱和非线性两大制约因素进行了相关控制研究。 首先,研究了高超声速飞行器纵向模型及其稳定性问题。通过求取飞行包线内某一平衡态以获得线性化模型,验证了国外公开的通用高超声速飞行器模型的合理性。针对线性化模型,分析了飞行器开环特性,并设计了极点配置控制以分析高超声速飞行器闭环系统稳定性。 其次,基于定直飞行下的高超声速飞行器纵向开环线性模型,研究了存在不确定性干扰的鲁棒控制问题。针对外界干扰的不同情形,分别设计了LQG与H∞鲁棒控制器,并对两种方法进行了比较,仿真表明,抑制有界干扰效果后者要优于前者。 最后,基于定直飞行下的高超声速飞行器纵向开环线性模型,采用LQR与抗饱和补偿器相结合的设计思路,研究了存在输入饱和非线性的抗饱和控制问题。LQR控制器的设计保证无饱和非线性的标称闭环系统性能,而当饱和产生时,抗饱和补偿器通过在线修正反馈项使得控制器的输出工作在线性区域,从而保持了系统的性能输出且能提供一定的鲁棒性能。仿真验证了设计方法的有效性。

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