基于预估的新型飞行器重构控制策略研究

高超声速飞行时气动加热严重影响了控制操纵面的偏转与配置和发动机的正常工作，特别是超高速超高温环境产生的烧蚀直接影响了操纵舵面的效果，而操纵舵面的非正常操作反过来进一步加剧气动热和烧蚀的产生。针对这类具有动态特征的系统失效，本项目研究新的基于全飞行过程预估的重构控制控制策略及快速实现算法，分析气动热与控制舵面的关系，预估飞行过程中控制作用的变化，进而通过主动重构各控制舵面的偏转分配和飞行轨线的重构（re-shape）达到控制减少气动热对飞行控制的影响（特别是烧蚀）以完成飞行任务。本项目是近空间飞行器重大基础科学问题中关键的飞行热环境预测以及非烧蚀防热方法的基于预估的主动重构控制实现，是利用智能自主控制理论实现主动热防护的创新途径。

项目构建了载人返回舱和航天器数学模型，并进行了网格划分和流场的建立，有效的预估再入飞行器的烧蚀深度和烧蚀温度的变化趋势。项目开展了重构控制的研究，结合模型预测控制和自适应鲁棒控制，应用动态滚动优化算法和在线滤波，对飞行轨迹进行重构，同时考虑了不确定因素的外部干扰， 通过有限的控制量达到轨迹跟踪的鲁棒性和一致性。本课题主要的研究成果包括：1.建立适当的气动数学模型，构建了以载人返回舱和航天器的高超声速飞行器几何模型。应用相关的航空航天专业设计软件，对提出的几何模型进行了网格划分和流场的建立，并针对不同的再入条件进行了三维仿真实验；2.提出了Newton-Raphson和TDMA算法解析动态烧蚀的过程，并且应用Fortran语言仿真了烧蚀过程及飞行器表面温度的变化；3.研究不同舵面配置下对再入轨迹的影响，建立舵角与再入轨迹之间的关联，并用数学统计的方法进行描述；4.考虑到烧蚀可能引发的舵面故障，建立了舵面失效因子矩阵，结合鲁棒观测器和模型预测控制(MPC)算法，实现重构冗余控制舵面改变烧蚀增量；5. 在重构控制应用中，研究了新型非线性系统的抗饱和控制算法。利用无人直升机模型设计了多款非线性控制算法，为重构控制实际应用创造条件。