近空间飞行器飞行姿态与重心运动协调一体化鲁棒自适应控制研究

Near space vehicles show strong coupling characteristics between the attitude motion, the trajectory motion and the propulsion system. In hypersonic condition, flight dynamics exhibit four characteristics of high nonlinear, strong coupling, fast time-varying and uncertain, especially strong robust adaptive coordinated control of flight attitude and barycentre motion, is one of the research core of flight motion control. In order to alleviate and eliminate the negative impact of the strong coupling, and ensure the flight safety of the vehicle throughout the flight envelope, this application is carried out to study robust adaptive integrated coordinate control of flight attitude and barycentre motion to achieve flight stability and improve flight qualities. Firstly, an integrated coupled flight motion model with flight attitude and barycentre motion is established, the structure and composition of the integrated coordinate flight control system with flight attitude and barycentre motion are determined. Secondly, based on chattering-free sliding mode method combining the advantages of fuzzy, prediction and neural network control, the coordination control is further strengthened. Then, based on the above, robust adaptive coordination control laws between the attitude angles, attitude angles and barycentre motion, and combination control laws adopted by thrust vector control surfaces and pneumatic rudders to meet the flight changes are studied, which allows the system to achieve a high degree of integrated coordination. The work of this project will provide the basis of theory and methodology to solve the flight control system design and engineering realization for the near space vehicles.

近空间飞行器在姿态运动、轨迹运动和推进系统之间表现出强耦合特性。在高超音速条件下，飞行运动特性具有强非线性、强耦合、快时变、不确定四大特点，其姿态与重心运动的强鲁棒自适应协调控制，是飞行运动控制研究的核心之一。为了缓解和消除强耦合的负面影响，保证飞行器在整个飞行包线内的飞行安全，本申请研究飞行姿态与重心运动协调一体化的鲁棒自适应控制确保飞行运动的稳定和高品质。其中首先建立飞行姿态与重心一体化的耦合飞行运动模型，并确定姿态与重心一体化协调控制的飞控系统的结构和组成，然后以无抖振滑模控制方法为基础，结合模糊、预测和神经网络控制方法的优势，进一步强化姿态运动控制的强鲁棒性。在此基础上，研究姿态角之间、姿态角与重心运动之间的鲁棒自适应协调控制、推力矢量舵面和气动舵面为适应协调控制所必须的协调组合控制律，使飞行运动达到高度一体化协调控制，为解决近空间飞行器飞控系统设计和工程实现提供理论基础和支持。

近空间飞行器是未来空天战场上克敌制胜的利器，研究和掌握其相关技术对于我国空天环境安全和国际空天军事力量平衡具有重大的战略意义。然而该飞行器具有强非线性、强耦合、快时变、不确定四大特点，使得飞行控制成为其研制过程中的重点和难点问题。为了消除强耦合给系统带来的不利影响，提高飞行器的飞行品质，本项目研究了近空间飞行器的协调一体化控制问题。主要研究内容如下：.(1)完成飞行器非线性动力学模型和气动模型的建立，并对其进行了耦合特性的定性分析，包括耦合原因分析和耦合极性。.(2)完成基于采样统计法的耦合度定义，并计算耦合度矩阵，将其与滑模方法、干扰观测器结合，分别设计了纵向协调控制器、纵向鲁棒协调控制器。.(3)完成推力矢量舵面与气动舵面之间的耦合分析，并基于耦合度矩阵的补偿方法来补偿变量间的耦合影响，建立能量最优性能指标来解决推力矢量舵面与气动舵面之间的协调配合问题，并完成协调后的纵向系统与舵面一体化的鲁棒控制。.(4)完成姿态系统的耦合分析，给出姿态变量间以及姿态与舵面间的耦合关系矩阵，结合滑模控制方法、非线性干扰观测器，确定气动舵面与推力矢量舵面的能量最优性能指标，协调舵面组合，并运用耦合补偿的方式解决姿态变量之间的耦合问题。.(5)完成耦合度的缺陷分析，并统计分析变量间的耦合度，给出了耦合熵的定义，并基于此设计了姿态系统协调因子，以此来实现耦合利用与消除；将协调因子与控制力矩结合起来设计协调力矩，形成舵面协调偏转指令信号。.(6)完成姿态耦合和气动舵面耦合的综合分析，统一处理协调因子，定义新的耦合度描述舵面耦合，并设计舵面协调偏转方案，同时考虑到参数不确定性以及外部扰动，设计了姿态鲁棒协调控制器。.(7)完成耦合与姿态系统稳定性的关系分析，基于误差模型定义了耦合特性指数（CCI），通过CCI自动判定耦合极性，对于正耦合采取保留措施，对于负耦合采取消除措施，同时考虑不确定性以及外部扰动，结合非线性干扰观测器设计了鲁棒协调控制器。