试析基于lpv方法的临近空间飞行器建模和控制研究

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1、天津大学硕士学位论文基于LPV方法的临近空间飞行器建模和控制研究LPVmodelingandcontrolofNearSpacecraft学科专业：控制理论与控制工程研究生：吉月辉指导教师：宗群教授天津大学电气与自动化工程学院二零零九年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已

2、在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要临近空间飞行器因其大范围的飞行环境以及迅速变化的机体质量，导致动态特性在整

3、个飞行包线内是极易变化的。此外，由于临近空间飞行器采用机体耦合结构以及飞行在高海拔和大马赫数的条件下，其气动特性和推进特性是不确定的，甚至难以估计。这些因素的影响，使得临近空间飞行器的模型是不确定的，多变量的，不稳定的，并且存在输入输出之间的强耦合。因此，针对临近空间飞行器的建模问题和控制系统设计显得尤为重要。研究临近空间飞行器复杂的动态特性，以临近空间飞行器的拉格朗日方程为出发点，建立了其刚性微分方程组；采用国外已公开的临近空间飞行器(winged-cone)的气动参数，通过仿真获得临近空间飞行器纵向不同

4、飞行状态下的平衡值，并以此为基础对临近空间飞行器实现LPV建模，为模型降阶和控制系统提供了适当的被控对象。针对初始建立LPV模型的阶数较高，控制过程计算量较大的问题，提出基于平衡截断的LPV模型降阶方法。在线性分式变换结构下定义了LPV系统的适定性和稳定性；采用广义Gramians阵定义了LPV系统的平衡实现；在此基础上，提出LPV模型的平衡截断降阶方法；并将该方法应用到临近空间飞行器LPV模型中。针对临近空间飞行器气热特性和气动特性剧烈变化以及飞行过程中存在大量的不确定和外部干扰问题，设计变增益H∞控制器

5、，保证飞行器在整个飞行包线内具有良好的动态特性，实现了干扰的衰减和系统的鲁棒稳定，以及控制器动态的实时调整。最后是全文的总结和展望。关键词：临近空间飞行器系统建模模型降阶变增益H∞控制线性参数变化(LPV)系统ABSTRACTThedynamiccharacteristicsoftheNearSpacecraftwillvaryconsiderablyovertheflightenvelopduetotheirextremelywiderangeofoperationconditionsandrapidch

6、angeofmassdistributions.Furthermore,becauseofairframe-integratedscramjetutilizedandtheflightconditionsofhighaltitudesandMachnumbers,manyaerodynamicandpropulsioncharacteristicsstillremainuncertainandarehardtopredict.Asaresult,thenearspacecraftmodelisuncerta

7、in,multivariable,unstable,andpossessessignificantinput-outputcross-coupling.Therefore,itisessentialtomodelanddesignflightcontrollersfornearspacecrafts.Inordertograspthenearspacecraftmodelscomplexdynamiccharacteristics,thedifferentialequationsofthenearspace

8、craftrigidmodesareestablished,basedonLagrangeequations;Theflighttrimpointsinthelongitudinalmotionmodesunderdifferentflightvelocitiesandaltitudesarecomputed,ultilizetheaerodynamiccoefficientsoftheopenedaircraf