具有输入输出约束的近空间可变翼飞行器鲁棒自适应受限控制研究

Combining the advantages of the traditional aircraft and spacecraft, the near space morphing vehicle(NSMV) is of great strategic significance to the future development of the aerospace. Meanwhile, due to the physical limitation of the NSMV, various kinds of the input and output constraints are unavoidable to occur. Thus, this project intends to carry out the research on the robust adaptive constrained control method for the NSMV with input and output constraints during the stage of multi-model switching. Firstly, characteristics of NSMV nonlinear model are studied, and the effects mechanism on NSMV control system of system uncertainties, external disturbances, input and output constraints are analyzed. Secondly, the improved robust adaptive constrained control scheme was proposed for the control system design of the NSMV model with actuator faults, input and output constraints, where the robust performance is obviously improved. Furthermore, the multi-model switching control is introduced to handle the control problem on the NSMV with variable swing angle. Considering above control methods comprehensively, a multi-model switching control based robust adaptive constrained control scheme with strong robust performance is developed for the NSMV. This project provides an important theoretical significance and technology support to improve the robust flight control method with input and output constraints, enrich the connotation of the research on robust adaptive constrained control technology.

近空间可变翼飞行器(NSMV)综合了传统航空器和航天器的优点，对国家未来空天发展具有重要的战略意义。由于物理限制，NSMV不可避免会出现多种输入输出约束。因此，本项目针对一类存在输入输出约束的NSMV，拟展开其基于模型切换的鲁棒自适应受限控制方法研究。首先，对NSMV非线性模型进行分析，研究输入输出约束、外部扰动和模型不确定性等因素对NSMV控制性能的影响机理；其次，研究输入输出约束、执行器故障等多种限制条件下的NSMV飞行控制问题，提出鲁棒自适应受限控制方法，提高鲁棒性；再次，为解决NSMV后掠角可变控制问题，引入多模型切换控制技术，将其与改进鲁棒自适应受限控制方法相结合，提出具有强鲁棒性的基于多模型切换的NSMV鲁棒自适应受限控制方案。该项目对完善输入输出约束下的NSMV鲁棒飞行控制方法，丰富鲁棒自适应受限控制的研究内涵有着重要的理论意义和技术支持。

因具有优秀的综合飞行性能，近空间可变翼飞行器(NSMV)对我国近空间飞行器未来的发展具有重要意义。但由于其结构特殊，往往存在多种输入输出约束、系统不确定和外部扰动，这些因素会对飞行品质产生影响，增加了控制系统设计的复杂性。因此，本项目针对一类存在输入输出约束、系统不确定和外部扰动的NSMV，分别从NSMV非线性数学模型的完善、输入输出约束的处理、系统不确定的逼近、外部扰动的估计、受限控制方法的开发和仿真分析、验证等方面，展开了基于模型切换的鲁棒自适应受限控制方法研究。对NSMV非线性模型进行分析，建立适用于受限控制研究的数学模型，并对输入输出约束、外部扰动和模型不确定性等因素对NSMV控制性能的影响进行分析。设计了一类非线性干扰观测器，提高了对外部扰动的估计能力。开发了多项式神经网络逼近器对系统不确定进行逼近，提高快速性。通过右逆环节的引入，简化了多种输入约束问题，同时构造了一类辅助系统，用于消除或减小输入约束对控制性能的影响。通过预设性能误差转化方法，处理输出约束问题。在此基础上，提出了基于模型切换的鲁棒自适应受限控制方法，通过选取合适的公共Lyapunov函数，使得NSMV在多种因素影响下也能保持闭环系统的稳定性。本研究为提升NSMV鲁棒飞行控制系统的鲁棒性能提供一条新的途径，对丰富鲁棒自适应受限控制的研究内涵有着重要的理论意义和技术支持。