临近空间高超声速飞行器低复杂度再入姿态控制器设计研究

Near space hypersonic vehicles are the strategic focus of the development of armaments for many countries. Aimed at the great strategic requirement of building the space defense for our country, this project will study the low complexity optimal control problem of re-entry attitude control for near space hypersonic vehicles with respect to the existing problems in the field and provide new method for hypersonic vehicles control. The proposed low complexity control method has two main features. For one thing, the design method does not need to choose weighting functions, the design procedure is simple. For another, the designed controllers are given in analytical forms, the design results are easily to be implemented in practice. The main contents of the project are as follows. Firstly, a low complexity feature model will be built by mechanism modeling and data-driven modeling approaches to describe the dynamic feature of the plant. Secondly, the robust optimal control theory will be used to study the low complexity control scheme with high accuracy and strong robustness for hypersonic vehicles control. Finally, a control software will be developed to implement the proposed method.

临近空间高超声速飞行器是各国武器装备发展的战略重点。本项目面向国家对构建空天屏障的重大战略需求，在分析临近空间高超声速飞行器再入姿态建模与控制研究存在问题的基础上，拟结合鲁棒控制理论与最优控制理论研究临近空间高超声速飞行器低复杂度高精度强鲁棒再入姿态控制器设计方法，期望通过项目的研究为临近空间高超声速飞行器的再入姿态控制提供一种简单有效的新思路和新方法。本项目设计方法的低复杂度体现在两方面：一是设计过程的复杂度，本项目拟采用无权函数设计方法，设计过程简单；二是设计结果的复杂度，本项目设计的控制器以解析形式给出，有利于工程应用。研究内容包括：结合机理分析与数据驱动建模方法，建立可以用于控制的临近空间高超声速飞行器低复杂度特征模型；采用鲁棒最优控制理论研究具有高精度强鲁棒性的低复杂度临近空间高超声速飞行器再入姿态控制器设计的新方法，对现有方法进行改进；通过综合数值仿真验证所提的理论与方法。

临近空间高超声速飞行器是各国武器装备发展的战略重点。临近空间高超声速飞行器再入姿态建模与控制是临近空间高超声速飞行器研究的重要内容，对临近空间高超声速的发展具有很好的现实意义。本项目针对临近空间高超声速飞行器强非线性、严重的气动交叉耦合、大的模型不确定性及易受外部干扰的难点，结合鲁棒控制理论与最优控制理论研究了临近空间高超声速飞行器低复杂度高精度强鲁棒再入姿态控制器设计方法，为临近空间高超声速飞行器的再入姿态控制提供了一种简单有效的设计方法。本项目所提出的方法设计过程简单，设计结果以解析的形式给出，易于工程实践。本项目的主要研究内容如下：通过小扰动线性化方法建立了适用于控制的临近空间高超声速飞行器传递函数模型；结合鲁棒控制与最优控制理论提出了无权函数最优解耦控制器设计方法；结合多项式最优控制理论设计了无权函数最优干扰观测器；通过高超声速飞行器数值仿真实验验证了本项目所设计方法的有效性。本项目所设计的方法具有较好的普适性，既可以为临近空间高超声速飞行器再入姿态控制器的设计提供设计思路，也可以应用于其他工业生产过程，具有一定的工程应用价值。本项目的主要研究成果已在国内外期刊或会议上发表标注本项目资助的21篇，其中SCI收录论文3篇，EI收录论文6篇，并获得授权发明专利1项，同时培养了4名研究生。