高超声速飞行器全飞行包线统一建模与快速鲁棒自适应控制方法研究

Big flight envelope, bad flight conditions and complex dynamic characteristics, all of these make the integrated modeling and control design for airbreathing hypersonic vehicles (AHVs) became one of the most important technologies in the current and future development of aerospace fields. This project is focused on the integrated modeling and fast, robust adaptive control design for full-envelope flight of AHVs. Firstly, the AHVs' nonlinear dynamic models of different stages in the whole envelope are developed, and then the variables of those nonlinear dynamic models are analyzed. An integrated modeling method of AHVs, which can keep the form of all dynamic models in different stages the same, is proposed. Secondly, the origins of unmolded dynamics and the external disturbance are analyzed and a real-time online identification algorithm is presented. Thirdly, the requirements of the control performance in different stages are achieved by analyzing the fly missions, fly environment and the control objective in different stages. The variety law of the variables of the nonlinear dynamic models, the coupling between different variables and the relationship between variables and control performance are analyzed, and then a fast, robust adaptive control strategy, which can combine different control performance, adjust itself online, is proposed. Semi-physical simulation is carried out to validate the developed model and the proposed control design method. The results of this project will provide theoretical support for the application of AHVs.

高超声速飞行器大包线飞行、恶劣的飞行环境以及飞行器本身的复杂动态特性等使得该类型飞行器全飞行包线下的动力学建模与控制器设计问题成为亟待解决的重大难题之一。本项目针对高超声速飞行器全飞行包线动力学统一建模和快速鲁棒自适应控制器设计问题展开研究，首先在建立各飞行段动力学模型的基础上，汇总所有变量，提出全飞行段适用的、形式一致的飞行器动力学模型的建立方法；分析飞行器未建模动态与干扰的来源，设计在线快速辨识算法；之后分析飞行器在不同飞行段的飞行任务、飞行环境与控制目标，得到不同飞行段对控制系统的性能需求；分析飞行器动力学模型相关变量自身的变化规律、变量之间的耦合关系以及各变量与不同性能指标之间的传递关系，提出兼顾多种性能指标、能够在线自适应调整的快速鲁棒自适应控制器设计方案；通过半实物仿真验证所建立全飞行段动力学模型和所提出控制方法的有效性。项目研究成果将为高超声速飞行器的发展提供理论支持。

本项目首先在分析高超声速飞行器各飞行段特点的基础上，分析了各飞行段模型之间的相互差异，提取了模型中的共有变量，建立了全飞行包线适用的高超声速飞行器动力学模型框架；研究了在复杂飞行环境下的非线性动力学模型时变参数的在线快速辨识方法，保证了模型在各个飞行段的正确匹配；之后分析了高超声速飞行器在实际飞行中所受到的各种约束条件和飞行器本身的不确定性、未建模动态等，分别建立了多种约束的数学模型和飞行器未建模动态的快速在线辨识算法，结合飞行器不同飞行段的不同飞行动态与控制目标，建立了飞行器在各飞行段对控制系统性能的需求模型；考虑不同的性能需求模型，结合建立的高超声速飞行器非线性动力学模型、约束模型、参数与未建模动态的在线辨识方法，提出了全飞行包线适用的，能兼顾多种性能指标和约束条件的，高超声速飞行器快速鲁棒自适应控制器设计方法，并通过半实物仿真验证了该方法的有效性。本项目所建立的全飞行包线适用的高超声速飞行器动力学模型框架，包含飞行器的所有工作模态，可以为下一步高超声速飞行器控制系统的设计和飞行器实际控制系统的硬件组成设计提供参考；本项目所建立的约束条件模型、性能需求模型等，对于高超声速飞行器各个飞行段的系统分析与控制器设计具有重要的指导意义；本项目提出的兼顾多种性能指标的快速鲁棒控制器设计方法为高超声速飞行器全飞行包线内的整体控制器设计提供了一种可行的思路。通过本项目的研究，可以为高超声速飞行器从理伦研究到实际应用提供重要的参考，为高超声速飞行器的实际控制系统设计提供理论支持。