脉冲式干扰下高超声速飞行器的有限时间状态受限控制

The control system of hypersonic vehicles would experience short-time and high-amplitude disturbances when there is a sudden change of operation modes, like stage separation, engine turn-on or turn-off. In many cases, this kind of disturbance, which is called impulsive disturbance in this project, tends to cause serious problems. This project focuses on the study of finite-time state constrained control methods of hypersonic vehicles under impulsive disturbances. Firstly, an online trajectory optimization algorithm is proposed based on iterative convex optimization to reduce the influence of impulsive disturbances. Then according to the optimal trajectory, a linear time-varying model of the attitude control system is built and sequential ellipsoidal approximations are used to derive robust finite-time stability conditions of the system. Finally, the input-constrained finite-time stabilization and input-state finite-time stabilization problems are solved using convex optimization. The results of this project can be used to solve the stage separation problem, the engine on and off impact problem and so on, which will provide theoretical supports and design references for the research and development of hypersonic vehicles.

高超声速飞行器工作状态突变时，如助推分离、发动机点火与熄火，控制系统会受到短时、大幅值的干扰，容易引发飞行器姿态震荡，威胁飞行安全。我们将这种典型干扰描述为脉冲式干扰，研究该类干扰下高超声速飞行器的有限时间状态受限控制问题。首先提出基于迭代凸优化的在线轨迹优化算法，通过修正制导轨迹来减小脉冲式干扰的影响；其次，基于该优化轨迹得到飞行器姿态系统的线性时变模型，采用连续椭球估计的思想推导系统的鲁棒有限时间稳定性条件；最后，基于凸优化算法解决输入受限系统的有限时间镇定和干扰下的输入状态有限时间镇定控制问题。课题的研究结果将应用于高超声速飞行器助推分离、点火熄火等关键飞行段的分析和设计，为高超声速飞行器的研究和研制提供理论支撑和设计参考。

本课题针对脉冲式干扰下高超声速飞行器控制中的关键问题开展研究，主要解决存在模型不确定性和执行器饱和约束的条件下，飞行器姿态系统的状态受限控制问题，取得的主要成果如下。1)开展了大偏差和大不确定情形下高超声速飞行器的轨迹跟踪和轨迹生成方法的研究，提出了一种基于凸优化的约束非线性系统的轨迹跟踪控制方法和考虑姿态系统动态和约束的实时轨迹生成方法，有效的减小了干扰冲击导致的轨迹和姿态偏差；2)将脉冲式干扰下高超声速飞行器的姿态控制问题抽象为一类输入受限系统的有限时间镇定控制问题，提出了存在状态约束和输入饱和情形下姿态系统基于凸优化的有限时间镇定控制算法和大偏差下控制器的逐段优化快速求解算法，提出了一类带有状态和输入约束的非线性系统的改进自适应动态面设计方法；3)将脉冲式干扰对飞行器姿态系统的影响抽象为一类边界已知或未知的不确定性，分别提出了基于有限时间线性参变和非线性滑模理论的控制方法，并进一步的，在制导控制一体化框架下研究了一类输入状态受限的非线性系统基于干扰观测器的动态面设计方法。.经过3年时间的研究，已经按照预定计划完成全部研究内容，取得了丰富的成果，已经出版专著1部，发表论文18篇，其中SCI收录10篇。完成了项目申请时的计划任务。本课题的研究结果可以应用于高超声速飞行器助推分离、点火熄火等关键飞行段的分析和设计，为高超声速飞行器的研究和研制提供参考。