● 摘要
高超声速飞行器已成为当今世界各航天大国的研究重点，本文在武器装备基金的支持下对高超声速飞行器的再入控制技术进行深入的研究。文中重点分析了高超声速飞行器的气动特性，结合三种常用控制方式（空气舵、直接力和质量矩）的特点，考虑采用三种控制方式进行复合控制并研究了复合控制方法，最后提出了以动态逆为基础的再入控制方法，以解决再入控制中高超声速飞行器存在的非线性、强耦合、时变等问题。
为了验证高超声速飞行器再入气动数据以及设计的控制系统性能，本文首先建立了再入飞行器完整的非线性六自由度运动学方程和动力学方程。根据风洞实验数据，建立了气动参数数据库。对高超声速飞行器的气动特性进行了分析，具体分析了纵向、横向静稳定性，配平特性以及方向舵、副翼的控制效率，为后面的控制系统设计奠定基础。
为了分析质量矩控制的机理，本论文将壳体与内部活动质量块看成是一个刚体与质点系组成的多刚体系统，采用Newton-Euler建模方法推导了质量矩再入体的绕质心动力学方程，分析了滑块布局配置对系统控制的影响。
针对高超声速飞行器大跨度再入的特点，采用质量矩、气动力和直接力进行复合控制来获得良好的飞行性能，结合控制效率和燃料消耗分别设计了质量矩/气动力复合控制、反作用力/气动力复合控制和质量矩/反作用力复合控制的分配策略。
本文深入研究了动态逆求解方法。利用非线性动态逆方法设计了高超声速飞行器再入控制系统，并针对所设计的复合分配策略分别进行了仿真分析与对比，发现在本文特定的结构布局下，质量矩/反作用力复合控制在高空段性能良好，低空段性能变差，反作用力/气动力燃料消耗过大，质量矩/气动力在高空段的机动性能不足，将质量矩/反作用力复合控制与质量矩/气动力结合是合理的选择。在此基础上分析了系统的鲁棒性，通过仿真，发现单纯使用动态逆方法，对不确定性以及外界干扰的鲁棒性较差，需要引入其它方法对不确定性以及外界干扰进行补偿，以提高控制系统的鲁棒性能。
针对上述问题，本文提出了利用模糊滑模动态逆来设计高超声速飞行器再入控制系统。将动态逆系统方法和模糊Terminal滑模控制方法结合起来，利用Terminal滑模变结构控制器的输出来确定动态逆控制器的输入，使得各种不确定因素引起的逆误差的影响得到抑制，并且通过引入模糊逻辑算法抑制滑模控制中的高频抖振。最后进行了六自由度仿真验证，得到了满意的控制效果。
相关内容
相关标签