高空长航时定点飞艇基于特征模型的鲁棒自适应控制

The high-altitude airship has become the focus of domestic and foreign studies in aerospace engineering. However, it needs to strengthen the fundamental theories and approaches of relevant application urgently, especially the challenge to station-keeping control during long-endurance hovering, which is affected seriously by environment changes. The pointing accuracy is mainly effected by atmospheric wind field and heat exchange during long-endurance hovering and they are all related with geographical latitude and seasonal time. And also, the randomness of the wind field changes leads to enormous difficulties to station-keeping control of airship in the horizontal plane. Meanwhile, the altitude holding problem is also much complex because of the temperature variation in days and nights which is influenced by solar radiation, gas convection and heat and mass transfer, etc. Moreover, controllers with fixed structure and parameters can not ensure the stability of the system and station-keeping precision. Not only the uncertainties of mass and inertia, aerodynamic parameters, but also the uncertainties of heat transfer empirical parameter, the parameter of the mass of gas absorption and exhaust, and propulsion, vectoring operation parameters, demand much more stronger robustness on control system..Therefore, our project addresses some pertinence issues on robust station-keeping control of airship. The concrete analysis of the parameter uncertainties of high-altitude airship is given. And the characteristic model of high-altitude airship, which is a closely coupling nonlinear system, is built. Furthermore, we explore characteristic model parameter identification approaches, robust adaptive control methods based on characteristic model and experiment, aiming to provide a theoretical basis for engineering realization of high-altitude airship station-keeping control during long-endurance hovering.

高空飞艇正在成为国内外航空航天领域关注的热点，亟待加强有关应用的基础理论方法研究，特别是环境变化影响给长航时悬停期间的定点保持控制提出了严峻挑战。长航时定点保持期间，主要受大气风场和热交换等环境影响，它们都同地理纬度和季节时间有关。风场变化的随机性给水平面内位置保持带来很大困难，太阳辐射、内部气体对流换热带来的日夜温差导致高度保持问题的复杂性，采用固定结构和参数的控制器难以确保系统的稳定性和定点精度。除了质量惯量、气动参数的不确定性外，还存在换热经验参数、气体质量吸排操纵参数、推进及其矢量操纵参数等的不确定性，给控制鲁棒性提出很高要求。.为此，本申请开展针对性研究，具体分析高空飞艇模型参数的不确定性特点和长航时运行环境变化的特点，建立其紧密耦合非线性系统的特征模型，进行特征参数辨识和基于特征模型的鲁棒自适应控制方法探索及实验研究，为高空飞艇长航时定点控制的工程实现提供一定的理论方法依据。

高空飞艇向飞行力学与控制提出了一系列严峻挑战，本项目按计划进行了一定的针对性研究，主要包括三个方面。.（1）飞行动力学与气动建模：①考虑飞艇质量变化和各种受力情况，建立了完整的飞行动力学模型，并考虑到飞艇受环境影响显著的特点, 将控制系统分解为水平面子系统与垂直面子系统；②考虑到实际控制中可能需要按照各种不同的配平状态进行设计，如果死板地按照只适用于单一配平状态时用舵偏角表示的气动作用来设计控制律会存在较大偏差，为此基于控制输入同舵攻角之间本质关系推导了用舵偏角描述气动作用的不同表达式，并对气动作用和飞艇的非线性模型进行小扰动线性化； ③推导出时变系统流场动量定理的积分形式及流体动力表达式。.（2）水平面子系统动态特性分析与基于特征模型的鲁棒自适应控制研究： ①不确定性风场变化是影响飞艇水平面内运动的主要环境因素，然而已有研究非常薄弱，为此本项目初步研究了大气风场建模与紊流模拟方法，特别是尝试放弃通常的Taylor冻结场假设；②研究基于扩展卡尔曼滤波方法进行当前风速估计、并通过试验进行初步验证，初步尝试将ELM机器学习算法用于预报风速变化的趋势；③为实现飞艇在工作高度的长时间定点或巡航，在风场干扰和飞艇推力装置功率时变的假设下，利用庞特里亚金极小值原理和奇异摄动法求解了水平面内不同约束条件下的最优轨迹；④考虑不确定性风场影响，推导了水平面子系统的特征模型，并提出基于特征模型的智能自适应控制器设计方法，进行了鲁棒定点控制仿真研究。.（3）垂直面子系统动态特性分析、航迹规划与协调控制研究：①垂直面子系统模型受到传热、传质过程的紧密耦合，为此本项目对热力耦合计算方法进行了多项大胆的探索，提出了改进的净热量法和热力耦合三表面简化模型，研究了飞艇在高空定高度保持过程中受大气环境影响的情况，仿真分析说明仅仅利用空气操纵方法难以克服热干扰的不利影响；②考虑大气温度、密度、风场和飞艇附加质量变化的影响，假设采用浮力和气动力联合作用，以最短时间和最低能耗为目标函数，利用高斯伪谱法求解飞艇上升过程及返回过程的优化航迹；③以平流层飞艇升降过程中静升力、气动升力和矢量推力的协调控制为出发点，提出了“垂直升降+水平校正”的控制思路和“矢推+吸排气”和“抛物+吸排气”两种具体控制策略。 .本项目研究为高空飞艇实际工程试验提供了一定参考，为开展更深入的理论探索奠定了必要基础。