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摘要:针对高超声速飞行器控制器设计没有考虑系统的瞬态和稳态性能应满足预设性能的问题, 在模型中存在强非线性的条件下, 基于反演设计思想, 提出一种预设性能控制器的设计方法。 利用Lyapunov稳定性定理证明了系统的稳定性, 保证纵向内环闭环系统误差全状态满足预设的瞬态和稳态性能。 通过仿真算例验证了提出方法的有效性。
关键词:高超声速飞行器; 反演; 预设性能
中图分类号: V249.1文献标识码: A文章编号:1673-5048(2016)02-0024-05
0引言
由于飞行速度和特殊的飞行环境, 高超声速飞行器具有比传统飞行器更为复杂的强耦合、 强非线性和强时变的动力学特性, 其控制技术也面临着传统飞行器控制所未曾遇到的新型复杂问
题[1-4]。 从20世纪90年代开始, 学者们首先研究了线性控制方法, 在此基础上研究了非线性控制方法, 最后向多方法结合的方向发展。
在鲁棒控制框架内, Gregory利用最优轨迹, 通过D-K迭代的方法设计了H∞鲁棒控制器[5]; Heller等人提出基于输出反馈的鲁棒控制器, 实现了速度和高度控制[6]; Sigthorsson等提出一种新的内模控制方法进行了输出控制器的设计, 实现高超声速飞行器高度和速度的鲁棒跟踪[7]。
线性控制方法难以满足控制需求, 学者们研究了非线性动态逆、 反馈线性化的控制方法和其他非线性控制方法。
Gunnarsson等[8]提出了基于动态逆和μ分析结合的方法; Wang和Stengel则采用了非线性动态逆和随机鲁棒结合的方法[9]; Parker等人提出基于鲁棒二次调节器和近似反馈线性化结合的控制方法[10] ; 文献[11]则提出一种反馈线性化与多输入多输出自适应滑模控制结合的方法; 文献[12]提出一种基于非线性干扰观测器的滑模反演控制方法; Cox等人提出一种自适应神经网络飞行控制器的设计方法, 适应飞行器参数时变、 扰动等特性的变化[13]。
上述方法都没有考虑系统的控制性能问题, 无法保证闭环系统的瞬态性能。 预设性能控制问题可追溯到Miller和Davison的开创性的工作[14]; 文献[15-18]进一步讨论了非线性系统的预设性能控制器设计问题; Ilchmann等人提出了一种增益无需动态产生和非单调增益的预设性能控制方法[16]; Bechlioulis等人提出一种鲁棒自适应控制器设计方法, 实现系统的最大超调量小于事先设定的足够小的常数[17]。
本文针对上述高超声速飞行器控制系统设计没有考虑同时满足瞬态性能和稳态性能的要求、 反演设计中预设性能控制器的设计仅能实现输出变量达到预设性能等问题, 提出一种新的预设性能控制方法, 之所以研究纵向系统的控制问题是因为该子系统是最具高超声速飞行器典型特征和最具控制挑战性的[19]。
4结论
针对高超声速飞行器纵向运动学的内环子系统模型具有高度非线性、 耦合性等特点, 提出一种基于预设性能的控制器设计方法, 实现全状态具有预设性能, 解决了现有大多数高超声速飞行器控制器设计研究中未能考虑稳态和瞬态同时具有预设性能的问题。 仿真结果表明, 所提出的控制方法具有较好的跟踪性能。 需要指出的是本文仅对高超声速飞行器纵向运动学的内环子系统进行了预设性能控制研究, 而且没有考虑不确定性, 这也是下一步需要深入研究的问题。
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