近空间高超声速飞行器自主协调控制研究

本项目以近空间高超声速飞行器为背景，以解决由于飞行器以高超声速在近空间飞行带来的特殊飞行控制问题为目的，对飞行自主协调控制方面所涉及的以下重要科学问题展开深入研究, 包括：非线性强耦合状态的飞行可解耦条件与关联协调控制问题；异类混合多操纵面动态输入配合与冗余控制一体化问题；气动与控制关联建模问题；高超声速飞行器控制仿真实验与仿真评价，并对理论研究成果加以仿真实现。通过研究新理论、探索新机制，建立新方法，确立一套适应高超声速飞行器的控制系统设计理论。在几种典型飞行状态下（包括巡航、爬高、下滑、平面机动），深入研究高超声速飞行控制系统建模和控制的具体方法，解决由于高超声速飞行强非线性强耦合引起的飞行控制技术上的理论难点，并建立高超声速飞行器飞行控制系统评价指标体系和评估方法，给出飞行控制系统实时仿真试验验证方法和实时仿真试验结果评定方法，对前面的理论研究成果提供仿真支持。

针对高超飞行器多作动器课题，给出了多输入使得系统二次性能指标严格下降的充分必要条件，验证了多输入在改善最速控制方面的作用，建立了多输入分配鲁棒最小二乘算法。给出了输入故障下的容错控制方法，建立了飞行器反作用力控制与舵面控制的联合协调分配算法。给出了飞行器姿态控制多通道耦合模型、以及线性参数变化的凸组合模型，分析了高超声速条件下参数变化的主要特征，以及模型不确定性主要来源。对升降舵、副翼和方向舵进行了舵面效率的研究，探讨了气动力耦合、运动学交叉耦合和惯性交叉耦合的影响。分别从结构不确定性、非结构不确定性以及两者组合的情况给出了不确定性模型建立方法，建立了风干扰、干扰力与力矩和弹性形变等典型不确定性模型，给出了鲁棒、容错、自适应、抗饱和等控制方法。进一步给出了鲁棒分散控制与控制器切换抖动抑制方法。建立了高超飞行器等离子体流动控制数值模型。针对美国高超声速飞行器的失败案例，对大攻角飞行控制难度、以及表层脉动压力进行了深入分析，给出更合理的控制方法。在多运动体协调控制、流动控制、工程计算误差分析等方面也给出有意义的结果。项目执行期间发表SCI检索论文50多篇，北京大学课题组主要成员获得教育部自然科学一等奖，1名博士获得全国百篇优秀博士学位论文奖。