本文關(guān)鍵詞：高超聲速橫向機(jī)動非線性控制算法及驗(yàn)證平臺設(shè)計

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【摘要】：鑒于日趨緊張的國際形勢以及為滿足未來國防安全的需要,高超聲速飛行器(HSV,Hypersonic Vehicle)已成為各軍事大國的研究焦點(diǎn),其在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域有著不可估量的戰(zhàn)略及應(yīng)用價值。高超聲速飛行器的橫向機(jī)動控制系統(tǒng)作為其飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分,對提高其軍事生存能力起著至關(guān)重要的作用。然而,復(fù)雜的飛行環(huán)境、多變的干擾以及舵面偏轉(zhuǎn)飽和等問題,使得HSV再入橫向機(jī)動控制系統(tǒng)的設(shè)計充滿了挑戰(zhàn)。圍繞上述問題,本文開展了相應(yīng)的研究工作:首先,建立高超聲速飛行器再入機(jī)動數(shù)學(xué)模型。針對其強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合性和快時變的特點(diǎn),參考BTT控制方式,通過對航跡和姿態(tài)角回路的控制實(shí)現(xiàn)了HSV的無側(cè)滑橫向機(jī)動轉(zhuǎn)彎飛行。其次,針對機(jī)動過程中的不確定及干擾問題,本文提出改進(jìn)滑模干擾觀測器(ISMDO:Improved Sliding Mode Disturbance Observer)來對參數(shù)不確定及外界干擾進(jìn)行估計,在此基礎(chǔ)上,提出了基于ISMDO的非線性廣義預(yù)測控制(NGPC:Nonlinear Generalized Predictive Control)方法,將其應(yīng)用在高超聲速飛行器的橫向機(jī)動控制系統(tǒng)中,經(jīng)仿真驗(yàn)證,取得了良好的控制效果。然后,針對高超聲速飛行器再入機(jī)動過程中舵面偏轉(zhuǎn)飽和的問題,提出了外部anti-windup補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)合NGPC的控制策略來緩解或消除其對系統(tǒng)的不良影響。經(jīng)仿真驗(yàn)證,該方法確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對氣動舵面偏轉(zhuǎn)飽和的控制補(bǔ)償作用,進(jìn)而為高超聲速飛行器橫向機(jī)動飛行的順利進(jìn)行提供了保障。最后,搭建了用于驗(yàn)證高超聲速飛行器控制算法的半實(shí)物仿真平臺。硬件上,完成了高超聲速飛行器實(shí)時仿真計算機(jī)、飛行控制計算機(jī)、監(jiān)控計算機(jī)與物理舵機(jī)的相互通信,構(gòu)成了硬件的閉環(huán)控制回路。軟件上,完成了數(shù)學(xué)模型和控制器的實(shí)時解算,飛行控制結(jié)果的顯示。實(shí)驗(yàn)表明仿真平臺能夠很好地檢驗(yàn)控制算法的實(shí)時性及魯棒性,達(dá)到了預(yù)期的效果。
【關(guān)鍵詞】：高超聲速飛行器 再入機(jī)動 非線性廣義預(yù)測控制 改進(jìn)滑模干擾觀測器 Anti-windup補(bǔ)償系統(tǒng) 仿真平臺
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 注釋表10-11
• 縮略詞11-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 本文研究背景、目的和意義12-13
• 1.2 高超聲速橫向機(jī)動控制的研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 高超聲速橫向機(jī)動面臨的問題13-15
• 1.2.2 現(xiàn)代飛行控制方法研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.3 飛控系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺設(shè)計16-18
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容18-20
• 1.3.1 本文的主要工作18-19
• 1.3.2 本文的創(chuàng)新點(diǎn)19-20
• 第二章 高超聲速飛行器機(jī)動飛行數(shù)學(xué)模型及分析20-31
• 2.1 引言20
• 2.2 高超聲速飛行器的幾何模型和操縱20-22
• 2.3 高超聲速飛行器六自由度非線性數(shù)學(xué)模型22-25
• 2.3.1 基本假設(shè)22
• 2.3.2 常用坐標(biāo)系定義及飛行器運(yùn)動參數(shù)22-24
• 2.3.3 高超聲速飛行器數(shù)學(xué)模型24-25
• 2.4 空氣動力及氣動力模型25-26
• 2.5 HSV機(jī)動飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及仿射非線性方程的建立26-30
• 2.5.1 HSV飛行狀態(tài)量之間的關(guān)系26-27
• 2.5.2 HSV仿射非線性方程的建立27-30
• 2.6 本章小結(jié)30-31
• 第三章 基于改進(jìn)滑模干擾觀測器的高超聲速再入橫向機(jī)動控制系統(tǒng)設(shè)計31-47
• 3.1 引言31
• 3.2 非線性廣義預(yù)測控制基本原理31-35
• 3.3 HSV再入橫向機(jī)動控制系統(tǒng)設(shè)計35-38
• 3.3.1 HSV再入橫向機(jī)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)35-36
• 3.3.2 HSV再入橫向機(jī)動航跡回路控制系統(tǒng)設(shè)計36-37
• 3.3.3 HSV橫向機(jī)動姿態(tài)回路控制系統(tǒng)設(shè)計37-38
• 3.4 改進(jìn)滑模干擾觀測器設(shè)計38-43
• 3.4.1 超螺旋super-twisting算法38-39
• 3.4.2 基于super-twisting改進(jìn)滑模干擾觀測器設(shè)計39-43
• 3.5 系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定性分析43
• 3.6 高超聲速飛行器仿真驗(yàn)證43-46
• 3.7 本章小結(jié)46-47
• 第四章 HSV再入橫向機(jī)動舵面抗飽和系統(tǒng)設(shè)計47-58
• 4.1 引言47
• 4.2 輸入飽和閉環(huán)控制系統(tǒng)47-48
• 4.3 anti-windup系統(tǒng)48-50
• 4.4 HSV再入橫向機(jī)動抗飽和控制系統(tǒng)設(shè)計50-55
• 4.4.1 HSV再入橫向機(jī)動抗飽和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)51-52
• 4.4.2 基于NGPC抗飽和Anti-windup系統(tǒng)設(shè)計52-53
• 4.4.3 HSV再入橫向機(jī)動抗飽和姿態(tài)回路控制系統(tǒng)設(shè)計53-54
• 4.4.4 再入機(jī)動軌跡回路控制系統(tǒng)設(shè)計54-55
• 4.5 高超聲速飛行器仿真驗(yàn)證55-57
• 4.6 本章小結(jié)57-58
• 第五章 HSV機(jī)動飛行半物理仿真平臺設(shè)計58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 仿真平臺總體設(shè)計58-61
• 5.2.1 功能設(shè)計要求58-59
• 5.2.2 基于飛控模型的半實(shí)物仿真平臺59
• 5.2.3 仿真平臺總體方案59-61
• 5.3 仿真平臺硬件組成61-62
• 5.4 仿真平臺的軟件構(gòu)成62-71
• 5.4.1 仿真軟件運(yùn)行環(huán)境62-63
• 5.4.2 飛行系統(tǒng)分模塊軟件設(shè)計方案63
• 5.4.3 數(shù)學(xué)模型仿真算法63-65
• 5.4.4 HSV模型計算機(jī)軟件流程65-66
• 5.4.5 HSV半實(shí)物仿真監(jiān)控界面設(shè)計66-68
• 5.4.6 仿真示例68-71
• 5.5 本章小結(jié)71-72
• 第六章 總結(jié)與展望72-74
• 6.1 本文的主要創(chuàng)新工作及貢獻(xiàn)72
• 6.2 展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-79
• 致謝79-80
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文80

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