基于特征模型的高超声速飞行器热气动弹性控制研究

The research on hypersonic flight vehicle control has great significance in both science and military aspects and is one of the encouraged and supported important research fields in China. The same unstable problem of the hypersonic vehicle HTV-2 happened in its two lauches shows the difficulty of this research. It has great practical meaning to study the thermoaeroelasticity problem, because of the influence of aerodynamic heating on the stability of hypersonic vehicle. The theory and application of characteristic model based adaptive control make great progresses. Especially, the successful application in rendezvous and docking shows that the method has important prospects in practical applications. This project follows the previously finished project of National Natural Science Foundation, based on the theoretical research achivements of the applicant on characteritic modeling theory and adaptive control research on hypersonic vehicle. With the background of control problem of hypersonic thermoaeroelasticity, it will be studied that thermoaeroelasticity modeling of hypersonic vehicle, characteristic modeling of high-order time-varying nonlinear system, characteristic model based adaptive control, and its stability and as such basic theory problems to establish the typical theory and methods for hypersonic vehicle modeling and intelligent autonomous control. Furthermore, this study will establish theroy foundation for hypersonic vehicle control and promote the development of characteristic modeling.

高超声速飞行器控制研究具有重要的科学和军事意义，是我国目前重点鼓励和支持的研究领域之一。特别是高超声速飞行器HTV-2在两次发射中出现了同样的失稳问题，由于气动加热对于高超声速飞行器的稳定性具有重要影响，因此研究其热气动弹性问题具有重要的现实意义。基于特征模型的自适应控制在理论和应用中取得了重要进展，在交会对接中的成功应用表明该方法具有重要的实际应用前景。本课题将延续上一个已结题国家自然科学基金项目的研究，借助于申请者在特征建模理论和高超声速飞行器自适应控制研究中积累的理论研究成果，以高超声速飞行器热气动弹性控制问题为背景，研究高超声速飞行器热气动弹性建模、高阶时变非线性系统的特征建模、基于特征模型的自适应控制及其稳定性等基础理论问题，建立一套高超声速飞行器实用的建模与智能自主控制的典型理论和方法，为高超声速飞行器控制奠定理论基础，并进一步推动特征模型理论的发展。

本项目按照研究计划执行，完成了研究目标。围绕本项目的动力学建模、特征建模、控制设计和性能分析四项研究内容，开展了深入研究。首先，研究了动力学建模问题。建立了快速、简便、精度较高的气动热预测工程方法，热环境下结构动力学分析流程，考虑热气弹效应下的刚/弹耦合，建立了更加接近真实物理对象的弹性飞行器动力学模型。第二，研究了特征建模问题。提出了不确定非线性挠性飞行器特征建模的理论和方法；提出了两类新型特征模型：一阶特征模型和具有时变界的系数的特征模型；在特征建模参数辨识方面，研究了闭环辨识问题，提出了与状态相关的参数辨识方法和特征模型投影最小二乘方法。在此基础上，建立了高超声速飞行器三轴动力学的特征模型。第三，研究了高超声速飞行器的控制问题。提出了特征模型自适应控制与自适应退步控制的复合自适应控制方法、基于动力学变换的特征建模自适应控制方法，以及不确定、非最小相位、挠性和状态受限非线性高超声速飞行器的新型控制方法，设计了高超声速飞行器三轴动力学基于特征模型的控制律。最后，对控制性能进行了分析，包括基于特征模型和基于原系统的闭环性能，提出了基于特征模型闭环稳定的新型性能分析方法，并给出了针对原系统闭环稳定的条件。.本项目由“北京控制工程研究所”和“中国航天空气动力技术研究院”合作完成。开展了“建模的控制要求反设计”学科交叉合作研究，加深了双方研究人员对于被控对象的认识，对于创新思维具有积极意义。.学术交流与合作方面，负责人在英国利兹大学访问1年，在国内外学术会议组织了3场邀请组。项目成员参加了多个学术会议。围绕本项目的研究内容，积极开展学术交流与合作，有效促进了本项目的研究。.本项目实现了预期研究结果。负责人获得了国家技术发明奖二等奖（排名6），共发表学术论文38篇，其中SCI10篇，EI16篇；申请国家发明专利5项，其中3项已获得授权，2项已受理；培养博士生3名，硕士生3名。