基于多性能指标的近空间高超声速飞行器非线性切换控制方法研究

针对近空间高超声速飞行器飞行环境恶劣、飞行包线跨度范围大等特点，提出一种基于多性能指标的非线性切换控制方法。综合考虑飞行过程中的各种不确定性及外界干扰、强非线性及参数与状态的强耦合性，建立包含复杂不确定性的非线性动力学模型，进而基于邻域逼近与梯度计算方法建立基于模糊切换的控制系统模型；深入分析飞行器复合执行机构的控制输入约束、执行机构与飞行状态的耦合特性，并考虑飞行器对稳定性、鲁棒性、快速响应性及高精度等方面的性能要求，提出具有复杂约束的多性能优化控制方案；采用基于参数依赖Lyapunov函数的模糊系统分析与综合新方法，解决高超声速飞行器基于多性能指标的非线性切换控制设计问题及状态与参数的在线观测问题；通过数值仿真与半实物仿真验证所提出控制方法的有效性。本项目致力于解决此重大研究计划在"高超声速飞行器智能自主控制"方面的关键科学问题，提出行之有效的高超声速飞行器控制系统设计新方法。

本项目针对大包线飞行高超声速飞行器的多目标鲁棒控制器设计问题展开研究，分析了该类型飞行器的控制难点与存在的问题，提出了在整个飞行包线内适用的高超声速飞行器的控制器设计方法。首先分析了高超声速飞行器不同于一般飞行器的独特飞行特性与飞行器实际飞行中可能遇到的各种情况，并分别进行数学描述，将其表述为控制系统设计的性能约束。之后建立了高超声速飞行器的非线性动力学模型，分析了非线性模型的非最小相位特性，明确了控制器设计的必要性。按照建立的多种性能指标约束，进行了线性控制器设计工作，对所设计的线性控制器进行仿真验证。采用模糊逼近的方法建立了高超声速飞行器的模糊切换模型，结合多性能指标约束，设计了满足多种性能指标的模糊切换控制器。通过在原始非线性上的仿真分析，该方法可以实现对飞行器的精确控制，是一套行之有效的控制策略。本项目的研究推动了高超声速飞行器从理论到实践的进一步发展，研究成果为实际飞行器控制系统的设计提供了有效的理论与方法。