近空间高超声速飞行器容错控制及制导技术

　　近空间高超声速飞行器容错控制及制导技术
　　近空间高超声速技术是当前航空航天科学技术中Z有影响的技术之一,也是衡量一个国家科技水平的标志之一,并可在一定程度上体现综合国力。本书主要介绍近空间高超声速的控制和制
　　导技术,内容包括高超声速飞行器的建模、容错控制、控制分配及高超声速飞行器滑翔再入时的制导和机动避障技术。本书叙述由浅入深、简明扼要、内容丰富、图文并茂。
　　本书可作为近空间高超声速控制技术的基础教材,也可作为航空航天专业研究生的参考用书,亦可供相关专业科研人员及航空航天爱好者参考。

第1章 绪 论………………………………………………………………………… 1
1.1 国内外研究现状及分析……………………………………………………… 1
1.1.1 国内外高超声速飞行器的研究概况…………………………………… 1
1.1.2 高超声速飞行器控制技术的研究现状………………………………… 5
1.1.3 反演技术及其在飞行控制中的应用现状……………………………… 6
1.1.4 不确定非线性系统控制方法概述……………………………………… 7
1.1.5 观测器技术及其在飞行控制中的应用现状…………………………… 7
1.1.6 容错控制技术…………………………………………………………… 9
1.1.7 控制分配技术应用概述………………………………………………… 9
1.1.8 飞行器的制导技术……………………………………………………… 11
1.2 本书的任务和目标…………………………………………………………… 14
第2章 非线性控制相关理论基础………………………………………………… 15
2.1 非线性微分几何……………………………………………………………… 15
2.1.1 相对阶…………………………………………………………………… 15
2.1.2 局部坐标变换…………………………………………………………… 16
2.1.3 规范形…………………………………………………………………… 16
2.2 Lyapunov稳定性定理……………………………………………………… 17
2.3 自适应反演控制理论………………………………………………………… 18
2.4 非线性状态观测器…………………………………………………………… 19
2.4.1 基于扩展Luenberger方法的状态观测器设计……………………… 19
2.4.2 基于线性化法的状态观测器设计……………………………………… 19
2.4.3 基于类Lyapunov法的状态观测器设计……………………………… 20
2.4.4 基于滑模观测器的状态观测器设计…………………………………… 20
2.5 控制分配……………………………………………………………………… 21
2.5.1 控制分配问题描述……………………………………………………… 21
2.5.2 控制分配方法综述……………………………………………………… 22
本章小结…………………………………………………………………………… 29
第3章 高超声速飞行器非线性模型的建立及开环特性分析…………………… 30
3.1 高超声速飞行器六自由度非线性数学模型………………………………… 30
3.1.1 常用坐标系定义………………………………………………………… 32
3.1.2 质心动力学方程………………………………………………………… 32
3.1.3 质心运动学方程………………………………………………………… 33
3.1.4 绕质心转动的动力学方程……………………………………………… 34
3.1.5 质心转动运动学方程…………………………………………………… 35
3.1.6 建立α,β,μ 的导数方程………………………………………………… 35
3.1.7 侧向过载方程…………………………………………………………… 36
3.2 高超声速飞行器开环特性分析……………………………………………… 37
本章小结…………………………………………………………………………… 40
第4章 全状态可量测高超声速飞行器控制系统设计…………………………… 41
4.1 飞行器模型精确已知时控制系统反演设计………………………………… 41
4.1.1 系统描述………………………………………………………………… 41
4.1.2 控制系统设计与稳定性分析…………………………………………… 42
4.1.3 仿真验证………………………………………………………………… 44
4.2 基于动态面的不确定性高超声速飞行器控制系统设计…………………… 48
4.2.1 动态面控制技术………………………………………………………… 49
4.2.2 系统描述………………………………………………………………… 50
4.2.3 动态面自适应反演控制系统设计与稳定性分析……………………… 53
4.2.4 仿真验证………………………………………………………………… 58
本章小结…………………………………………………………………………… 60
第5章 基于角速率观测器的高超声速飞行器容错控制………………………… 61
5.1 具有角速率传感器故障的高超声速飞行器观测器及控制器设计………… 62
5.1.1 系统描述………………………………………………………………… 62
5.1.2 高超声速飞行器的角速率观测器及控制器设计……………………… 67
5.1.3 仿真验证………………………………………………………………… 70
5.1.4 小 结…………………………………………………………………… 73
5.2 部分作动器故障情况下高超声速飞行器自适应容错控制器设计………… 73
5.2.1 系统描述………………………………………………………………… 74
5.2.2 高超声速飞行器自适应容错控制设计………………………………… 82
本章小结…………………………………………………………………………… 85
第6章 基于迎角观测器的高超声速飞行器控制系统设计……………………… 86
6.1 高超声速飞行器的系统输出及迎角观测器的选择问题…………………… 86
6.1.1 高超声速飞行器系统输出的选择问题………………………………… 86
6.1.2 基于类Lyapunov法的滑模观测器…………………………………… 88
6.2 高超声速飞行器三通道迎角观测器及控制器设计………………………… 88
6.2.1 观测器设计……………………………………………………………… 88
6.2.2 控制器设计及稳定性分析……………………………………………… 91
6.2.3 仿真验证………………………………………………………………… 96
本章小结…………………………………………………………………………… 100
第7章 高超声速飞行器复合控制研究…………………………………………… 101
7.1 发动机推力和推力矩模型………………………………………………… 102
7.1.1 吸气式发动机的推力计算…………………………………………… 103
7.1.2 主火箭发动机的推力计算…………………………………………… 103
7.1.3 推力矩的计算………………………………………………………… 104
7.2 控制系统设计与仿真……………………………………………………… 105
7.2.1 控制系统设计与稳定性分析………………………………………… 107
7.2.2 仿真验证……………………………………………………………… 108
本章小结…………………………………………………………………………… 111
第8章 多执行机构高超声速飞行器非线性控制分配…………………………… 112
8.1 问题描述…………………………………………………………………… 112
8.2 控制器设计………………………………………………………………… 113
8.2.1 虚拟控制律设计……………………………………………………… 113
8.2.2 控制分配律设计……………………………………………………… 114
8.2.3 闭环系统稳定性……………………………………………………… 117
8.2.4 仿真验证……………………………………………………………… 119
本章小结…………………………………………………………………………… 120
第9章 高超声速飞行器滑翔段制导方法研究…………………………………… 121
9.1 考虑航路点的再入参考轨迹快速生成方法……………………………… 122
9.1.1 伪谱法求解优化问题的一般描述…………………………………… 122
9.1.2 多约束条件下滑翔式高超声速飞行器再入轨迹优化……………… 124
9.1.3 非线性规划问题的求解……………………………………………… 127
9.1.4 仿真算例与分析……………………………………………………… 128
9.2 基于LQR的滑翔段制导方法…………………………………………… 131
9.2.1 运动方程线性化……………………………………………………… 131
9.2.2 反馈增益系数的确定………………………………………………… 133
9.2.3 仿真分析……………………………………………………………… 133
9.3 考虑禁飞区的高超声速飞行器侧向机动制导…………………………… 134
9.3.1 侧向机动制导方案…………………………………………………… 135
9.3.2 侧向制导逻辑………………………………………………………… 137
9.3.3 仿真分析……………………………………………………………… 138
本章小结…………………………………………………………………………… 140
第10章 高超声速飞行器下压段伪谱反馈制导方法研究……………………… 141
10.1 实时伪谱反馈制导算法……………………………………………… 142
10.1.1 问题描述……………………………………………………………… 142
10.1.2 实时伪谱反馈算法……………………………………………… 142
10.1.3 算法收敛性分析……………………………………………………… 144
10.1.4 稳定性证明…………………………………………………………… 146
10.2 仿真算例…………………………………………………………………… 150
10.2.1 针对固定目标仿真分析……………………………………………… 151
10.2.2 针对移动目标仿真分析……………………………………………… 152
本章小结…………………………………………………………………………… 155
附 录………………………………………………………………………………… 156
附录A 注释表………………………………………………………………… 156
附录B 美国NASA 高超声速飞行器Winged-Cone气动参数……………… 158
附录C 基于扩展的Luenberger方法的观测器误差动态稳定性证明……… 164
参考文献……………………………………………………………………………… 167