● 摘要
飞行器网络控制系统是一种通过数据网络构成的闭环系统。网络的引入在提高了系统的可靠性与灵活性的同时，也为控制系统设计带来了新的问题。传感器与控制器、控制器与执行机构之间的网络通讯存在时间延迟，并对系统的控制性能和稳定性造成了不良的影响。另外，对于飞行控制系统而言，未建模动态和对象参数变化引发了各种不确定性。当系统的反馈通道存在时滞时，控制器无法对不确定性和干扰实时地产生抑制作用。所以，有必要研究具有时滞和不确定性的飞行器网络控制系统的鲁棒控制方法。本论文面向具有状态时滞/测量时滞的飞行控制系统，深入研究了系统的时滞相关稳定性、H∞输出跟踪控制和离散滑模控制等问题，并将理论研究成果应用于飞行器控制系统设计中。论文的主要研究工作如下：1. 针对反馈回路具有区间变时滞的离散线性系统，基于Lyapunov-Krasovskii泛函和自由权矩阵方法，分析了系统的时滞相关渐进稳定性。在系统存在能量有界干扰时，给出了保证系统时滞相关稳定和具有给定H∞性能指标的鲁棒控制器设计方法。基于锥补线性化（Cone complementarity linearization）思想给出了H∞控制器参数的迭代解法。2. 提出了区间变时滞离散系统的鲁棒H∞输出跟踪控制器设计方法。由被控对象和参考系统组成具有时滞的增广系统。基于增广系统的时滞相关渐进稳定性准则和H∞性能指标，给出了系统矩阵具有范数有界不确定时，系统的H∞输出跟踪控制器设计方法。对于系统参数不确定性变化范围较大的情况，分析了凸多面体不确定系统的时滞相关稳定性，并且设计了增益调度框架下的H∞输出跟踪控制器。3. 提出了切换变时滞系统的稳定性分析与鲁棒控制方法。针对具有范数有界不确定性的切换变时滞系统，基于Lyapunov-Krasovskii泛函方法证明了子系统的时滞相关鲁棒指数稳定性准则，并且给出了相应的鲁棒控制器设计方法。基于公共Lyapunov函数方法分析了切换系统在任意切换律下的稳定性。当切换系统不存在公共Lyapunov函数时，基于平均驻留时间方法分析了在切换系统稳定的前提下，切换律应当满足的平均驻留时间约束。本章所提方法适用于全飞行包线内的飞行控制系统，为工程应用提供了可借鉴的设计思想。4. 针对具有变测量时滞的离散系统，提出了基于状态估计的离散滑模控制器设计方法。将测量方程含有变时滞的系统等价地转化为具有多个测量方程的无时滞系统。基于Kalman滤波原理设计了具有多个测量方程的无时滞系统的最小方差滤波器。在此基础上，基于投影定理给出了时滞系统状态估计器的双重迭代解法。利用状态估计构成离散滑模控制系统，分析了系统滑模运动的稳定性和到达条件。5. 针对具有变测量时滞的不确定离散系统，提出了基于状态估计的离散积分滑模控制器设计方法。针对具有范数有界不确定性和变测量时滞的离散系统，证明了估计误差协方差矩阵上界的存在性，给出了保证误差协方差矩阵上界最小的状态估计器的设计方法。证明了离散积分滑模控制系统的稳定性和理想准滑动模态的存在性。所提出的控制器能够有效地削弱测量时滞和不确定性对性能的影响，具有较强的鲁棒性。6. 在相对运动测量具有时滞的情况下，分别将鲁棒H∞输出跟踪控制器和基于状态估计的离散积分滑模控制器应用于飞行器制导控制一体化系统的设计之中。分析了相对运动测量时滞下的系统模型，给出了控制器的设计结果。在非线性制导控制一体化模型的基础上进行了仿真分析。控制器设计和仿真结果表明了所提控制策略能够有效地抑制时滞和参数摄动对系统性能的影响，说明了论文所提方法在实际工程问题上的可行性。