吸气式高超声速飞行器全包线复合控制研究

The air-breathing hypersonic vehicle (AHV) is a new commanding height in aviation and aerospace field, whose control technique, however, is still immature up to now. Most of the existing control strategies focus on the AHV models established around a given working point, and cannot deal with the practical full-envelope high-maneuver flight mission. For this reason, the present project studies the full-envelope control problem of AHVs, which employs the adaptive theory and uses the “aerodynamic control surface-reaction control system (ACS-RCS)” compound control. The main idea of this project is to improve both robustness and controllability of the flight control system, more specifically, (1) “parameter-varying model” and “parameter-switching model” are established for AHVs, respectively, based on which adaptive control algorithms with strong robustness are designed to accommodate the fast parametric variations during a high maneuver; (2) “ACS-RCS” compound control with a high-efficiency control allocation mechanism is developed, so as to enhance the controllability as well as to broaden the flight envelope of AHVs. The purpose of this project is to propose a compound control strategy that is suitable for the practical full-envelope flight mission of AHVs, providing solid technical reserves for the hypersonic flight control of our country.

吸气式高超声速飞行器是空天领域的新制高点，其控制技术尚不成熟。大多数控制策略针对特定工作点处建立的飞行器模型，难以应对实际全包线、大机动飞行任务。为此，本项目以自适应理论为工具，以“气动舵-反作用系统”复合控制为手段，研究吸气式高超声速飞行器全包线飞行控制问题。项目旨在提升飞行控制系统的鲁棒性和可控裕度，具体地,（1）建立吸气式高超声速飞行器“变参模型”和“切换模型”，基于此设计强鲁棒自适应控制算法，以应对大机动飞行中参数的快时变特性；（2）采用吸气式高超声速飞行器“气动舵-反作用系统”复合控制模式，提出高效的控制分配方法，以增加飞行器的可控裕度，扩展其飞行包线。通过本项目的研究，期望提出适于全包线飞行任务的复合控制策略，为我国高超控制提供技术储备。

鉴于复杂的飞行动态和苛刻的工作环境，吸气式高超声速飞行器控制技术面临诸多挑战。本项目针对吸气式高超声速飞行器全包线、大机动飞行控制问题开展创新研究，提出了快时变气动参数自适应机制、气动舵-反作用系统复合策略以及攻角受限控制，以充分保障吸气式高超声速飞行器安全高效地运行。. 本项目所取得的重要结果简述如下：（1）针对全包线鲁棒飞行控制问题，建立了吸气式高超声速飞行器的时变参数运动模型，创新地提出了基于气动参数上界估计的自适应机制，有效克服了机动过程中不确定气动参数的快时变特性；（2）针对临界空间上层气动舵效率严重不足的实际问题，创新地提出了吸气式高超声速飞行器气动舵-反作用系统复合控制策略，设计了高效的异构执行器融合分配方法，显著拓宽了吸气式高超声速飞行器的飞行包线；（3）针对吸气式高超声速飞行器机动可能导致的超燃冲压发动机进气不足问题，创新地将屏障函数引入控制系统设计，实现了对于攻角的严格约束，充分保证了超燃冲压发动机的进气条件，进而借助所提出的气动舵-反作用系统复合控制策略，实现了不依赖鸭翼的攻角受限控制。. 本项目针对吸气式高超声速飞行器控制领域的实际问题，提出适于全包线、大机动飞行的快时变气动参数自适应机制和气动舵-直接力复合控制策略，为我国高超声速飞行控制技术提供必要的技术储备。同时，所提出的快时变参数自适应机制、攻角受限控制等理论与方法可以拓展至四旋翼快飞控制、固定翼防失速控制等多种场景，具有良好的应用前景。