高超声速飞行器弹性影响分析与稳定跟踪控制策略研究

由于高超声速飞行器机体/发动机一体化设计和复杂的飞行环境，飞行产生的气动热弹性严重影响了发动机性能和气动特性，极大降低了系统稳定性和跟踪性能，甚至会导致失控。因此弹性影响下的稳定跟踪控制是目前世界上难点和热点问题，项目拟在从不同途径解决弹性影响下稳定跟踪控制的瓶颈问题。为此，在分析弹性影响基础上，建立面向控制弹性模型和弹性多模态模型；把弹性影响作为不确定处理时，设计非线性鲁棒自适应稳定跟踪控制器；针对弹性多模态模型，结合鲁棒自适应估计器、自适应陷波滤波器、综合设计非线性鲁棒自适应控制器，解决弹性模态难以估计问题，实现主动抑制弹性模态稳定跟踪控制；针对弹性影响的系统状态未知时，采用高阶滑模控制方法综合设计鲁棒观测器、非线性鲁棒控制器；完善虚拟仿真环境，并仿真验证上述所研究的各种方法。该研究将为高超声速飞行器的稳定跟踪控制提供新的思路和途径，对相关领域的稳定跟踪控制具有重要理论意义和应用前景

针对高超声速飞行器纵向几何构型，利用梁的振动理论和空气动力学理论，估算了高超声速飞行器结构弹性模态、气动力和力矩及发动机推力，建立了飞行器刚体和弹性体机理模型；分析了力和力矩随攻角、马赫数等的变化规律，研究了弹性模态的变化趋势及加入弹性影响后飞行器表面气动布局；并利用曲线拟合方法，建立了飞行器面向控制模型，实现了对机理模型的简化。. 其次，将弹性视为不确定，不确定上界已知时，基于齐次性理论设计拟连续高阶滑模控制器设计，不确定上界未知时，提出了一种新型自适应高阶滑模控制器的设计方法，控制器由两部分组成，一部分为连续的标称控制器，基于几何齐次性设计；另一部分为不连续的自适应滑模控制器，处理不确定，利用Lyapunov稳定性理论证明了有限时间稳定性。. 再次，针对部分状态未知问题，利用速度、高度和俯仰角速率，设计非线性状态观测器估计攻角和航迹角；借助动态逆和反步法实现速度子系统和高度子系统的控制器设计；基于小增益定理保证闭环系统稳定性，避免构建整体的Lyapunov函数。. 进一步，第一阶弹性模态频率时变，在实际飞行中易被激发。设计自适应频率估计器与时变陷波滤波器，实现对未知弹性模态频率的估计与抑制，并对飞行器刚体设计积分滑模控制器，实现主动抑制弹性模态。. 最后，开发数字化仿真平台，利用多线程的方式集成MATLAB/Simulink仿真功能，通过仿真模型参数信息解析和Clib编程实现仿真平台中的dSPACE实时仿真功能。在此基础上开展分布式仿真研究，利用dSPACE实时仿真系统与两台xPC Target实时仿真系统联合实现分布式仿真。视景仿真软件通过可视化仿真技术显示实时仿真控制效果。基于OpenGL搭建了飞行器三维虚拟场景，基于VC++开发了飞行器视景仿真软件，实现了数据可视化功能和仿真后台。. 项目全部完成合同要求，发表论文35篇，其中SCI14篇， EI17篇，核心期刊4篇，获授权发明专利2项，已受理发明专利4项。