具有非最小相位特性的高超声速飞行器面向控制建模与控制策略研究

As a result of the airframe/engine integrated design and special structure, hypersonic vehicle was characterized by the coupling of airframe-propulsion system and elastic deformation, which lead to its non-minimum phase characteristics, and hence the unstable zero dynamics. The stable tracking of the system suffered serious security risks, and once excited, the unstable dynamics would cause the whole system out of control. The project intended to solve the critical problem of stable tracking control for hypersonic vehicles starting from active inhibition of the unstable zero dynamics. Through the analysis of non-minimum phase characteristics, the discipline of the unstable zero dynamics was studied, the stable zero dynamic conditions was examined, and a control-oriented model was developed. The project, in the next step, studied dynamic compensator design method. Nonlinear robust controller was obtained based upon dynamic compensator and high-order sliding mode control theory, in order to fulfill the demand of actively inhibiting the unstable dynamics and convergence time. In what followed, the project considered the fact that some of the states were unknown, and used the theory of immersion and invariance for the comprehensive design of nonlinear observer and robust controller. With all the work above, all-digital simulation platform was developed for system performance evaluation. The project provided novel perspective on the stable tracking control problem for hypersonic vehicles with non-minimum phase characteristics, and held theoretical significance and application prospects for other aerospace vehicles.

由于采用机体/发动机一体化设计和特殊结构，高超声速飞行器存在气推耦合和弹性形变问题，使其模型具有非最小相位特性，引起不稳定的零动态的问题，导致系统稳定跟踪存在严重的安全隐患，一旦被激发它将使整个系统失控。项目拟从主动抑制不稳定零动态出发，解决高超声速飞行器稳定跟踪控制的瓶颈问题。通过分析非最小相位特性，摸清不稳定零动态变化规律，找到稳定零动态的条件，采用模型处理技术，建立面向控制模型；研究稳定零动态的动态补偿器设计方法，考虑主动抑制不稳定零动态和给定时间收敛的需求，结合动态补偿和高阶滑模理论，综合设计非线性鲁棒控制器，研究稳定跟踪控制策略；针对系统部分状态未知，采用浸入和不变技术，综合设计非线性观测器和非线性鲁棒控制器；建立系统性能评价体系，完善全数字仿真平台。该项目为具有非最小相位特性的高超声速飞行器跟踪控制提供新思路和新途径，对其他空天飞行器的稳定跟踪控制具有重要理论意义和应用前景。

由于采用机体/发动机一体化的设计和特殊结构，高超声速飞行器存在气推耦合和弹性形变问题，使模型具有非最小相位特性，引起不稳定零动态，导致系统稳定跟踪存在严重的安全隐患，一旦被激发它将使整个系统失控。项目拟从主动抑制不稳定零动态出发，解决了高超声速飞行器稳定跟踪控制的瓶颈问题。通过分析高超声速飞行器非最小相位特性，摸清不稳定零动态产生的原因及变化规律，并分别针对强、弱非最小相位特性，进行了面向控制建模；在此基础上，提出了解决强、弱非最小相位特性影响下的高超声速飞行器稳定跟踪控制的技术途径，并通过仿真验证了该技术途径的有效性；课题进一步面向工程实际，考虑系统状态不完全可测的情况，设计了非线性状态观测器，提出了观测器-控制器综合策略，并有效解决了弹性及非最小相位特性的综合影响下的高超声速飞行器稳定跟踪控制问题，最后，基于实验室前期的研究基础并针对本项目需求，对高超声速飞行器模型库与控制库进行扩展与完善，利用dSPACE实时仿真系统进行仿真验证及性能评估，基于Unity 3d技术开发了一套视景仿真软件。本课题的开展完成了基金任务书中的全部研究工作，共发表论文38篇，其中被ESI收录2篇；申请及授权发明专利10项；撰写并出版专著1部，为具有非最小相位特性的高超声速飞行器跟踪控制提供新思路和新途径，对其他空天飞行器的稳定跟踪控制具有重要理论意义和应用前景。此外，本课题带动一系列基础研究领域的开展，加速了课题组无人机平台的建设，相关成果已经有力地服务于国家航天航空研究院所，并辐射到中国电子科技集团等先关军工企业，具有重要的社会价值。