高超声速飞行器的多胞线性变参数切换控制研究

This project focuses on the critical problem which is existed in modeling and control for a hypersonic vehicle. Control-oriented modeling and polytopic linear parameter varying (LPV) switching control method for the hypersonic vehicle is investigated, respectively. By analyzing nonlinear, time-varying and coupling characteristics，a control-oriented integrated model of the hypersonic vehicle is developed. For large-span maneuver flight control, the flight envelope is divided into some dynamic sub-regions and the polytopic LPV model is developed for each dynamic sub-region. Then, a state feedback switching control method for the hypersonic vehicle is presented in this project. Further, considering state feedback controller can't be easily applied because some aircraft states can't be measured. Therefore, an LPV output feedback switching control method based on polytopic LPV state observer is addressed. The problem of closed-loop system stability and the dynamic sub-region control performance is analyzed based on multiple parameter-dependent Lyapunov functions. In order to show the effectiveness of the presented method, the hypersonic vehicle visual simulation verification system will be studied. This project will develop a integrated approach for modeling, control and simulation verification and provide an important theoretical reference for the engineering applications of the hypersonic vehicle.

本项目围绕高超声速飞行器建模与控制中的关键科学问题，研究高超声速飞行器的面向控制建模与多胞线性变参数切换控制方法。通过对高超声速飞行器的非线性特性、时变特性和耦合特性的分析，建立面向控制的高超声速飞行器机体与发动机一体化模型；针对高超声速飞行器的大跨度机动飞行控制问题，将飞行包线进行参数区域动态软划分，建立动态子区域的多胞线性变参数模型，研究高超声速飞行器的状态反馈切换控制方法；针对飞行器的部分状态无法测量导致状态反馈控制器难以应用的问题，设计多胞线性变参数状态观测器，研究高超声速飞行器的输出反馈切换控制方法；利用多参数依赖Lyapunov函数技术，分析飞行器闭环系统的稳定性和动态子区域的控制性能；搭建高超声速飞行器可视化仿真系统以验证提出方法的有效性。本项目将发展一套建模、控制及仿真验证一体化的研究方法体系，为高超声速飞行器飞行控制系统的工程实现提供重要的理论参考。

高超声速飞行器是各国大力发展的新型航空航天飞行器。由于其重要的军事和民用价值，美欧等世界大国都制定了各自的高超声速飞行器研究计划。与传统意义上的飞行器相比，近空间高超声速飞行器具有强耦合、多工作模式和大范围高速机动等特点使得飞行器的建模与控制系统的设计成为极具挑战性的课题。本项目高超声速飞行器的建模和线性变参数跟踪控制进行研究，主要研究内容表述如下：. 本项目建立了一类具有三角形机翼、单垂直尾翼的有翼圆锥体近空间高超声速飞行器的六自由度数学模型。针对飞行器的纵向运动系统和姿态系统，分别选择能够表征飞行器动态特征的飞行速度、高度和马赫数、动压作为调度变量，利用Jacobian线性化和T-P模型转化的方法，建立了高超声速飞行器纵向运动的多胞LPV模型和姿态多胞LPV模型；提出了一种多胞线性变参数跟踪控制方法。该方法通过求解线性不等式(LMI)约束分别求解速度和高度跟踪控制器，设计的控制器保证了高超声速飞行器闭环系统的H2性能指标。分别基于单一Lyapunov函数方法和多Lyapunov函数方法，给出了近空间高超声速飞行器的LPV切换跟踪控制方法。针对高超声速飞行器的纵向运动动态，提出了一种基于观测器的LPV输出反馈跟踪控制方法。考虑到高超声速飞行器的部分状态不可测，设计一种LPV状态观测器在线观测飞行器的状态变量，然后，利用在线观测到的飞行器状态信息，针对每个划分的参数子区域分别设计基于观测器的LPV输出反馈跟踪控制器并通过定义的切换特征函数进行切换。. 最后，通过多Lyapunov函数方法证明了观测误差和跟踪误差会收敛到一个稳定的小区域。非线性数值仿真验证了本研究提出的方法具有满意的速度和高度跟踪性能。