高超声速飞行器鲁棒自适应控制

高超音速飞行器,鲁棒控制,自适应控制,研究

《高超声速飞行器鲁棒自适应控制》在深入分析高超声速飞行器模型特性的基础上，重点对高超声速飞行器巡航段的稳定跟踪控制及再人段的姿态控制问题进行研究。《高超声速飞行器鲁棒自适应控制》以实际工程为背景，所研究问题均来源于实际，如弹性和非*小相位影响下的高超声速飞行器的稳定跟踪控制问题、多约束及不确定影响下的再入轨迹姿态协同控制问题等。通过提炼关键科学问题，《高超声速飞行器鲁棒自适应控制》有针对性地提出了基于滑模控制、反步控制及干扰补偿控制的策略，建立了高超声速飞行器巡航段和再人段控制的一般框架。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 高超声速飞行器基本概念 1
1.2 高超声速飞行器研究进展 3
1.3 高超声速飞行器控制难点问题 13
1.4 编写特点和内容安排 20
1.5 小结 21
参考文献 22
第2章 高超声速飞行器控制方法概述 23
2.1 高超声速飞行器线性控制方法 23
2.1.1 PID控制 24
2.1.2 极点配置 24
2.1.3 增益调度控制 24
2.1.4 线性二次**控制 25
2.1.5 经典鲁棒控制 26
2.1.6 模型预测控制 28
2.1.7 内模控制 28
2.1.8 多模型控制 29
2.2 高超声速飞行器非线性控制方法 30
2.2.1 动态逆 30
2.2.2 反步控制 31
2.2.3 滑模控制 32
2.2.4 非线性序列闭环控制 34
2.2.5 轨迹线性化控制 35
2.2.6 L 1白适应控制 36
2.2.7 浸入与不变 37
2.2.8 预设性能控制 38
2.3 小结 39
参考文献 39
第3章 高超声速飞行器模型描述 46
3.1 刚体高超声速飞行器模型描述 46
3.2 弹性高超声速飞行器模型描述 49
3.2.1 俄亥俄州立大学David模型 49
3.2.2 俄亥俄州立大学Lisa模型 52
3.3 高超声速再人飞行器六自由度模型描述 55
3.3.1 质心平动方程 56
3.3.2 绕质心转动方程 57
3.4 小结 58
参考文献 59
第4章 基于典型滑模的高超声速飞行器稳定跟踪控制 62
4.1 滑模控制的基本原理 62
4.1.1 基本概念 62
4.1.2 滑模面和趋近律 63
4.1.3 抖振现象的产生与克服 66
4.2 典型滑模控制方法 66
4.2.1 积分滑模控制方法 66
4.2.2 终端滑模控制方法 67
4.3 基于典型滑模的高超声速飞行器控制器设计 70
4.3.1 基于积分滑模的高超声速飞行器控制器设计 70
4.3.2 积分滑模控制仿真分析 72
4.3.3 基于白适应终端滑模的高超声速飞行器控制器设计 74
4.3.4 络端滑模控制仿真分析 76
4.4 小结 78
参考文献 79
第5章 基于高阶滑模的高超声速飞行器稳定跟踪控制 81
5.1 高阶滑模控制方法概述 81
5.1.1 高阶滑模的基本原理 81
5.1.2 任意阶滑模控制方法 84
5.1.3 超螺旋滑模控制方法 86
5.2 基于白适应高阶滑模控制的高超声速飞行器稳定跟踪控制 88
5.2.1 面向控制建模 88
5.2.2 白适应高阶滑模控制器设计 92
5.2.3 仿真分析 97
5.3 基于超螺旋滑模的高超声速飞行器观测器一控制器综合设计 99
5.3.1 基于超螺旋滑模方法的有限时间干扰观测器设计 99
5.3.2 基于干扰观测器的有限时间控制器设计 100
5.3.3 仿真分析 105
5.4 小结 107
参考文献 107
第6章 基于反步控制方法的高超声速飞行器稳定跟踪控制 110
6.1 反步控制方法概述 110
6.1.1 反步控制方法的基本原理 110
6.1.2 反步控制方法的优缺点分析 113
6.2 基于白适应反步控制方法的高超声速飞行器稳定跟踪控制 114
6.2.1 面向控制建模 114
6.2.2 基于白适应反步控制方法的高超声速飞行器控制器设计 115
6.2.3 仿真分析 122
6.3 带有输入约束的高超声速飞行器稳定跟踪控制 125
6.3.1 基础理论 126
6.3.2 带有输入约束的高超声速飞行器控制器设计 129
6.3.3 仿真分析 139
6.4 小结 143
参考文献 143
第7章 具有非*小相位特性的高超声速飞行器稳定跟踪控制 145
7.1 非*小相位的基本概念 145
7.2 高超声速飞行器的菲*小相位特性 147
7.2.1 具有非*小相位特性的高超声速飞行器模型 147
7.2.2 非*小相位特性分析 149
7.3 弱非*小相位特性的高超声速飞行器稳定跟踪控制 151
7.3.1 弱非*小相位系统跟踪控制方法 151
7.3.2 高超声速飞行器面向控制建模 152
7.3.3 弱非*小相位的高超声速飞行器控制器设计 154
7.3.4 仿真分析 159
7.4 强非*小相位特性的高超声速飞行器稳定跟踪控制 163
7.4.1 输出重定义方法的基本原理 163
7.4.2 强非*小相位的高超声速飞行器控制器设计 165
7.4.3 仿真分析 168
7.5 小结 173
参考文献l 73
第8章 基于自适应多变量干扰补偿的再入姿态控制 175
8.1 白适应多变量干扰补偿再人姿态控制器设计 175
8.1.1 面向控制建模 175
8.1.2 再人姿态控制控制器设计过程 176
8.1.3 仿真分析l 83
8.2 白适应多变量干扰补偿再人姿态容错控制器设计 188
8.2.1 高超声速飞行器再入故障建模 188
8.2.2 再入姿态容错控制器观测器综合设计 189
8.2.3 仿真分析 194
8.3 小结 198
参考文献 198
第9章 高超声速飞行器实时再入轨迹与姿态协同控制 200
9.1 高超声速飞行器实时再入轨迹与姿态协同控制问题描述 200
9.1.1 再人轨迹与姿态模型 200
9.1.2 问题描述 203
9.2 高超声速飞行器实时再人轨迹与姿态协同控制设计 203
9.2.1 轨迹与姿态协同总体框架 203
9.2.2 基于Gauss伪谱法的离线轨迹设计 204
9.2.3 基于白适应Gauss伪谱法的实时**反馈再入制导律设计 207
9.2.4 基于多时间尺度犄性的再人姿态控制器观测器综合设计 210
9.2.5 仿真分析 212
9.3 小结 216
参考文献 216

第1章 绪论
　　自古以来，在天空自由翱翔就是人类孜孜以求的梦想。白从1903年莱特兄弟发明飞机，人类便已实现了飞天的梦想。如今，人们可以乘坐飞机轻松跨越重洋，在空间站俯瞰地球，甚至通过宇宙飞船踏足月球。然而，人类并未停止对天空的征服之路，继续朝着更快、更高、更远的目标前进。在科技高度发达的21世纪，人类在航空航天领域有了一个新的追求目标，即高超声速飞行器。
　　高超声速( hypersonic)这一术语是在1945年钱学森先生的论文《论高超声速相似律》中首次提出的。1]。20世纪60年代，远程弹道导弹的出现、载人飞船的成功返回以及X-15验证机飞行速度超越马赫数6等系列事件，标志着人类进入高超声速的时代。由于高超声速飞行器所具有的强大的军事和民事应用前景，从20世纪80年代初开始，美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本、印度等国家就把探索与发展高超声速技术作为航空航天领域的一个重要目标，在世界上掀起了研究和发展高超声速飞行器的热潮。
　　飞行控制系统是高超声速飞行器*重要的组成部分之一，是其安全飞行完成任务使命的保证。受T程青睐的PID控制方法*早被应用于高超声速飞行器的控制，美国的高超声速飞行验证机X-33，X-43A采用的就是增益调度的经典PID控制。这种经典控制方法的鲁棒性、白适应性差，难以适应高超声速飞行器的多飞行任务、复杂飞行环境、特殊飞行模式的需求。本书以高超声速飞行器为背景，对高超声速飞行器的模型进行描述，介绍典型的高超声速飞行器控制方法，依托课题组在高超声速飞行器控制领域所取得的成果，以鲁棒自适应控制方法为基础，针对具有强非线性、强耦合、快时变、不确定性特性的高超声速飞行器控制中的弹性问题、非*小相位问题以及姿态轨迹协调控制问题，提出相应的解决思路和措施。
　　本章主要内容安排如下：1.1节介绍高超声速飞行器的基本概念；1.2节总结高超声速飞行器的研究进展；1.3节分析高超声速飞行器的控制难点问题；1.4节介绍本书的编写特点和内容安排；1.5节对本章进行总结。
　　1.1 高超声速飞行器基本概念
　　高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5的有翼或无翼的飞行器。主要包括三类：高超声速巡航导弹、高超声速飞机和航天飞机。高超声速飞行器的关键技术包括推进技术、材料技术、空气动力学技术和飞行控制技术等，是多项前沿技术高超声速飞行器鲁棒自适应控制的高度综合。高超声速飞行器的主要特点主要体现在速度、动力和飞行范围上，典型的高超声速飞行器X-33、X-43、X-51、X-37B如图1.1所示。
　　1．速度
　　高超声速飞行器的马赫数是指飞行速度与当地大气（即一定的高度、温度和大气密度）中的声速之比。一般情况下，将5Ma作为超声速与高超声速的分界线。飞行器高超声速飞行时，将出现激波、膨胀波、黏性、湍流和转捩等现象，且由于其采用一体化设计，高速飞行时极易引起低头力矩和抬头力矩，这将对飞行器的飞行状况产生极大影响。目前国际上研究的高超声速飞行器的速度为5Ma～20Ma。
　　2．动力
　　高超声速飞行器多采用超然冲压发动机，与涡轮发动机相比，其具有结构简单、质量轻、速度快、推阻比高和成本低等优势，因此成为高超声速飞行器的**。但是冲压发动机不能在静止的条件下启动，因而常与别的发动机配合使用，成为组合式动力装置，如火箭基组合循环(rocket based combined cycle，RBCC)推进系统、涡轮机组合循环(turbine based combined cycle，TBCC)发动机和协同吸气式火箭发动机（又称“佩刀发动机”，SABRE）等。组合循环发动机是未来的发展趋势，是实现大气层内高超声速飞行的关键技术。但目前的研究还集中在超燃冲压发动机的可实现性上，尚无法实现全弹道白主飞行。本书的研究也是以采用超燃
　　冲压发动机的高超声速飞行器为背景展开的。
　　3．飞行高度
　　高超声速飞行器能在大气层和跨大气层中远程飞行。其主要飞行高度为20～100km临近空间，该区域是传统的航空与航天之间的空白区域，是相对独立的“真空”层，高超声速飞行器在该空域飞行并完成特定任务，填补了航空与航天器飞行高度之间的空白，同时具有成本低、时间快的特点。除此之外，高超声速飞行器中的高超声速空天飞行器可以跨大气层飞行，其能够以普通飞机的方式起飞，并且能够直接加速进入地球轨道，完成航空航天任务后再返回大气层，并能水平着陆[2-4]。它集航空航天技术于一身，兼有航空和航天两种功能，既能完成民用航空航天运输任务，又能执行多种军事航空航天任务，是一种具有广阔发展前景的航空航天飞行器。
　　高超声速飞行器相比传统飞行器在速度、动力、飞行高度上具有无法比拟的优势，在军用和民用领域都有重要的应用价值，被认为是航空航天发展史上绻飞行发明、突破声障的超声速飞行之后的又一划时代和里程碑意义的技术。但是，高超声速飞行器在带来巨大优势的同时也将伴随着前所未有的技术挑战，造成很多新的控制难点，1.3节将进行详细阐述。
　　1.2 高超声速飞行器研究进展
　　高超声速飞行器是21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向，在未来的军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用。白20世纪80年代以来，美国、俄罗斯、法国、德国、英国、澳大利亚、日本、印度、中国等国家及地区都在进行这方面的研究，并相继进行了地面试验和飞行试验，在高超声速技术方面陆续取得了重大进展，下面详细地介绍各国研究进展。
　　1．美国
　　美国是开展高超声速飞行技术研究*早的国家之一，相继制定实施了NASP、X-33、Hyper-X、HyFly、FAI.CON等临近空间高超声速飞行器计划，取得了技术上的重大突破，并相继进行了地面试验和飞行试验，引领了世界范围的高超声速飞行器技术研发热潮。美国高超声速技术发展历程如图1.2所示。高超声速飞行器鲁棒自适应控制美国高超声速计划路线图
　　1) NASP计划
　　NASP计划全称“国家空天飞机”(national aerospace plane，NASP)计划，于1986年2月正式批准，以研制空天飞机X-30为目标。NASP计划的研究重点主要集中在5个关键领域：吸气式发动机、轻质耐高温材料、飞行器空气动力学、机身／推进一体化以及各子系统。试验飞行器就是X-30，是一种具有可操作性、机动性、可维护性和有经济潜力的飞行器。NASP计划被迫于1994年11月取消。NASP计划虽然失败，仍大大推动了高超声速技术的发展，为后续高超声速飞行器的立项和研发打下了技术基础。
　　2) X-33计划
　　X-33的研制始于1996年，技术验证机由洛克希德？马丁空间系统公司（洛马公司）臭鼠由T厂研制，是可重复使用航天运载飞行器冒险星的1／2比例原型机。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)原计划于1999年7月4日制造m样机，1999年7月26日进行7Ma的**次飞行‘司。但由于技术难度太大，X-33技术验证机的研制任务未能如期完成。在经过5年的研究，耗资12.6亿美元后，2001年NASA宣布取消X-33技术验证机的研制计划。
　　3) Hyper-X计划
　　1996年，在NASP计划的基础上，NASA兰利研究中心及德莱顿飞行研究中心联合提出了高超声速试验计划-Hyper-X计划。该计划的主要目的是研究并验证高超声速飞机设计技术和可重复使用飞行器与超燃冲压发动机一体化的设计技术，为军用和民用高超声速飞行夯实基础。NASA指出Hyper-X计划的研究核心是X-43系列验证机，包括X-43A、X-43B和X-43C高超声速飞行器。Hyper-X计划研制时间为5年。2004年11月16日，X-43A第三次飞行试验又成功创造了9. 81VIa的飞行记录，成为世界上速度*快的吸气式飞行器，达到了X-43A酌预期目的。
　　4) HyFly计划
　　2002年，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和海军研究中心开始了高超声速飞行(HyFly)计划，目标在于验证以双燃烧室冲压发动机(dual combustor ramjet，DCR)为动力的高超声速攻击导弹技术。导弹的飞行速度可达到61VIa，航程达到740km。该计划分别于2007年、2008年和2010年进行了飞行试验，均未能取得成功，三次故障的原因与DCR技术并无关联。
　　5) Falcon计划
　　Falcon计划的全称为“从美国本土运送和应用兵力计划”，也称猎鹰计划。DARPA于2003年启动了Falcon计划，该计划的目的是开发和验证能够执行全球任务的高超声速飞行技术，演示成本可负担得起的空间飞行器。该计划分为三个阶段，对小型发射飞行器、高超声速巡航飞行器、通用航空飞行器和高超声速飞行器等进行了多方面的设计和试验。该计划中主要采用成熟、通用、可多次重复使用的高超声速巡航飞行器技术，这些关键通用技术主要包括高升阻比气动构型、主动冷却、弹道选择和自动飞行控制等。
　　6) X-51A骏证机计划
　　2005年9月，美国空军批准了X-51A验证机计划。X-51A是美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory，AFRI.)与DARPA联合主持研制的超燃冲压发动机高超声速验证机（代号：乘波者）。该飞行器由波音公司与普惠公司共同开发，由一台JP-7碳氢燃料超燃冲压发动机推动，设计飞行速度为61VIa～6.51VIa。高超声速飞行器鲁棒自适应控制这个计划的终极目标是研制在th内攻击地球任意位置目标的新武器。X-51A相继进行了四次飞行试验。其中2013年5月1日进行的第四次试飞堪称圆满，完成了预计的动力与无动力滑翔过程，发送了大量的遥感数据。
　　7) AHW计划
　　“先进高超声速武器”(advanced hypersonic weapon，AHW)计划是美国陆军提出的一种类似HTV-2的快速打击方案，主要目的是验证助推滑翔技术和动能技术，试验重点内容包括空气动力学，导航、制导与控制，热防护等技术。AHW计划白2005年启动以来，由于技术跨度较低，一直得到美国国会和国防部的资金支持，项目研究进展较快。2011年11月完成了先进高超声速武器的首次试飞，飞行距离为4000km，试验获得成功，从而增加了AHW技术用于美国空军常规快速全球打击项目的可行性。
　　8) X-37B计划
　　2006年11月，美国空军宣布在X-37的基础上发展X-37B验证机，称之为轨道试验飞行器。X-37B由波音公司作为主承包商负责研制和建造，主要用于空间技术试验与验证，X-37B计划的目标是对可重复使用的空间飞行器技术进行空间验证、风险降低、运行方案研友。2010年4月22日，美国空军利用宇宙神一5运载火箭将X-37B轨道试验飞行器送人近地轨道。X-37B是继航天飞机后美国发展*成功的跨大气层飞行器，目前已成功完成3次飞行试验，3次试验都超预期和超设计指标。X-37B演示验证了可重复使用空间飞行器的20多项重大技术，包括防热系统、推进系统、电子系统、资助导航与控制、资助返回与着陆及起落架技术等。
　　9) Falcon 9
　　2012年，美国太空探索技术(SpaceX)公司启动了垂直起降可重复使用运载火箭的飞行测试T作，在开展了多次成功飞行试验后，于2015年实施了发射任务，2016年成功收回，但其在2016年9月1日再次进行发射试验时，发射台发生爆炸。2017年1月15日，SpaceX公司在时隔四个月后，采用Falcon 9（猎鹰9号）运载火箭成功将铱星公司的10颗通信卫星送人625km高的低地球轨道，并在火箭升空约8min后成功地完成了海上回收。