飞行器耦合及不确定性分析与导引控制设计方法研究
由于飞行环境复杂、飞行包络大、飞行速度快，飞行器导引控制系统存在耦合非线性强、参数与干扰不确定性大、控制约束复杂等问题。这些问题的综合作用给飞行器导引与控制律的设计带来了严峻挑战。本文以耦合及不确定性飞行器为研究对象，基于滑模控制、反演控制和自适应动态面等鲁棒控制技术，深入开展了耦合系统与不确定性系统的基础理论与控制方法研究，并应用到飞行器导引与控制律的设计中。本文的主要研究内容和创新点如下： （1）研究了不确定性系统的控制，提出了三种非匹配不确定系统的鲁棒增强控制方法。本文对于非匹配不确定性系统，首先，为得到系统状态的精确微分，采用Levant’s精确微分器技术，并结合二阶滑模控制，完成非匹配不确定系统的鲁棒控制器设计。其次，将反演控制结合非线性干扰观测器，完成非匹配不确定系统的鲁棒控制器设计。最后，考虑不确定性是系统状态的函数，提出了一种双层自适应动态面控制方法，其控制效果比现存文献中的单层自适应更好。 （2）研究了耦合系统的控制，提出了三种耦合系统的控制方法。梳理了耦合系统的分类，按控制输入与系统状态之间的耦合关系将所研究的耦合系统细分为状态耦合系统和控制输入耦合系统。首先，给出了现存文献中关于状态耦合系统最常见的，基于耦合直接补偿的分布式控制方法；并在此基础上，提出了控制结构更为简洁的，基于耦合直接补偿的向量式控制方法。其次，受启发于Backstepping控制区别反馈线性化的基本思想，提出了耦合及参考输入有效补偿的控制方法。最后，针对一类控制输入耦合的系统，基于矢量运算法则，提出了一种新型矢量控制方法。 （3）研究了飞行器的姿态控制，提出了新型飞行器姿态非解耦矢量控制方法。综合考虑飞行器控制系统中可能出现的干扰不确定以及模型矢量耦合，有别于传统姿态控制中将飞行器动力学解耦表达在速度坐标系或弹道坐标系内，本文将速度矢量和角速度矢量动力学建立在体坐标系内，将飞行器速度、攻角和侧滑角，以及滚转角速度的控制问题转化为空间矢量的跟踪问题。首先，考虑有推力情况下，设计飞行器速度与姿态非解耦矢量控制器；其次，考虑无推力情况下，设计飞行器姿态非解耦矢量控制器，为飞行器姿态控制提供新的思路和方法。 （4）研究了高阶系统的确定时间收敛控制，提出了一种确定时间收敛的自适应积分滑模控制方法，并设计了一种新型三维非线性导引律。为了解决高阶系统确定时间收敛控制存在的奇异问题，许多学者进行了深入广泛的研究，其主要集中在新型滑模面的设计上。然而，滑模面的设计相对复杂，而且需要进行近似处理。本文针对该奇异问题，结合积分滑模和自适应控制，提出了一种确定时间收敛的自适应积分滑模控制方法，并将其应用到三维导引律的设计中，考虑自动驾驶仪动态特性，设计了一种新型三维非线性导引律。 （5）研究了导引与控制一体化，提出了一种全状态耦合的导引与控制一体化设计方法。建立了导弹导引与控制一体化的全状态耦合模型，不再将导引系统与控制系统以及各个通道分离开来，而是把它们完全当做一个整体来对待，实现了导引与控制的完全一体化建模，并设计一种自适应动态面控制器实现全状态耦合导引与控制一体化。
飞行器;不确定性;导引控制;耦合系统;滑模控制
国防科学技术大学;国防科技大学
博士
控制科学与工程
吴文启
2019
中文
V249;V448
2022-02-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）