● 摘要
临近空间高超声速飞行器（NHV: Near Space Hypersonic Vehicle）是在20km-100km之间的临近空间进行长距离高超声速飞行并能完成一定任务的一类新型飞行器，具有重要的军事应用价值。NHV具有超高的飞行速度，采用大攻角飞行，同时采用BTT方式，长时间大范围机动，并在特殊的飞行环境中飞行，其通道间具有强烈的耦合，并存在不确定性及干扰，使得飞行控制面临着传统飞行器所未曾遇到过的复杂的新问题。本文的研究对象为一类临近空间高超声速滑翔飞行器。主要解决的问题为该类飞行器在再入滑翔段飞行时姿态通道强关联耦合情况下的控制问题。论文的主要研究成果和创新如下：1） 建立了NHV的非线性模型和临近空间飞行环境模型，根据再入滑翔飞行的特点对模型进行了合理简化，建立了面向控制系统设计的模型，推导小扰动线性化方程，并对飞行器的动力学特性、不确定性进行分析，重点分析了NHV耦合特性。2）针对NHV耦合系统，分通道设计控制器。首先，基于小扰动线性化模型，对俯仰、滚转和偏航通道分别设计增益预置控制器，考虑耦合特性，在滚转和偏航控制通道中加入了耦合项，并针对耦合项设计补偿控制项。基于时标分离假设，分别设计NHV内、外环动态逆解耦控制器，引入神经网络建立基于神经网络补偿的动态逆解耦控制器，补偿逆误差的影响，提高鲁棒性。3）针对NHV既存在耦合，又存在模型不确定性及其它干扰等因素情况，设计基于分散控制的鲁棒解耦控制系统。控制系统由三个子模块构成：通道解耦模块、标称控制模块、补偿控制模块。通道解耦模块针对NHV外环，采用Tornambe控制方法，将通道间的耦合视为干扰，设计动态观测器对耦合干扰进行估计补偿，设计鲁棒分散滑模面，实现通道间的解耦。标称控制模块设计内环变结构控制器，使系统状态保持在解耦的鲁棒分散滑模面上。补偿控制模块主要考虑对系统动态变化的适应性和各种系统扰动的鲁棒性，采用非线性扩张状态观测器（NESO：Nonlinear Extended State Observer）估计扰动，输出补偿控制信号，保证系统在不确定环境下的稳定性和性能的提升。标称控制和补偿控制两模块分开设计，分别完成鲁棒分散滑模面跟踪和增强系统鲁棒性的功能。4）针对NHV具有强烈耦合的情况，考虑将具有强烈耦合的多通道系统视为相互关联耦合相互协调影响的多输入多输出（MIMO: Multiple Input Multiple Output）系统整体，对于该系统设计MIMO控制器。针对强关联耦合MIMO系统控制问题模型，利用自适应神经网络的逼近特性来估计MIMO系统的相关参数，并在此基础上设计变结构控制器。随后，引入了模糊逻辑，将专家经验与神经网络结合，设计模糊规则自适应的模糊神经网络变结构控制器，充分利用被控系统信息，在线自适应调整参数，实现了更好的逼近特性，从而实现了更精准的控制器设计。5）结合制导系统，设计了NHV飞行控制综合仿真平台。平台的制导系统采用标准轨迹法设计，在阻力加速度-能量再入走廊中规划标准轨迹；随后，结合所设计的控制器，实现再入滑翔全程飞行仿真验证。