变外形飞行器建模与控制方法研究

《变外形飞行器建模与控制方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、中图分类号：V249UDC分类号：681.5变外形飞行器建模与控制方法研究作者姓名杨贯通学院名称宇航学院指导教师莫波教授答辩委员会主席刘莉教授申请学位工学博士学科专业航空宇航科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月变外形飞行器建模与控制方法研究杨贯通2015年6月ResearchonModelingandControlofMorphingFlightVehiclesCandidateName：YangGuantongSchoolorDepartment:SchoolofAerospa

2、ceEngineeringFacultyMentor:Prof.MoBoChair,ThesisCommittee：Prof.LiuLiDegreeApplied:DoctorofPhilosopyMajor：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研

3、究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要变外形飞行器能够解决传统飞行器在大空域、大速域和多任务飞行时在气动外形设计上的矛盾。近年来随着世界形势的发展和新材料新技术的涌现，继上世纪的变后掠飞机之后，变外形飞行器又成为国内外的研究热

4、点。但是变外形飞行器气动构型复杂、动力学参数变化剧烈，对其的数学模型建立和控制系统设计带来很大挑战。本文以此为研究背景，围绕建模和控制两个方面，针对一类变外形飞行器——变后掠变展长飞行器，开展了总体与气动外形优化、多刚体动力学、纵向和横侧向控制研究，力图完整和深入地描述变后掠变展长飞行器的特性，为变外形飞行器的实用化提供参考。本文主要开展了以下几项工作：针对变后掠变展长飞行器的多学科耦合的总体和气动优化设计问题，提炼了关键的5个设计变量和3个设计指标，提出了一种基于Kriging代理模型、CAD参数化和

5、CFD自动化的变外形飞行器优化设计平台。依据该平台，得到了变后掠变展长飞行器的最优气动外形Pareto解集。对比优化之前，飞行器的3个设计指标均有了明显改善。对最优外形进行进一步的CFD分析，结果表明所设计的飞行器能够在小后掠大展长状态以最高升阻比低速飞行，能够在大后掠小展长状态以最低阻力高速飞行，也表明了变展长和变后掠的必要性。针对变后掠变展长飞行器动力学大时变、强耦合导致的建模困难的问题，提出了一种多刚体动力学建模方法。首先引入固连于机身质心的机体坐标系，将机身的运动等效为飞行器的运动，随后基于Ne

6、wton-Euler方法，对各个刚体进行独立分析，最终得到完整的多刚体动力学方程，导出了由变形所产生的附加力和附加力矩项。其中附加力矩由两部分组成：变形重力力矩和变形动态力矩。由于运动方程的建立始终是以机身为主，动力学方程中避免了转动惯量导数的出现，使得变外形动力学问题的分析大大简化。最后通过非线性仿真得到了不同变形形式和变形速度下的动态响应规律。针对变后掠变展长飞行器在变形时状态参数变化剧烈、难以用常规的方法进行控制的问题，采用Jacobian方法建立了纵向LPV模型，提出了一种基于Lyapunov二

7、次稳定理论和LMI的LPV-GS状态反馈控制器，实现了变后掠变展长飞行器变形过程的全局稳定。另外考虑在变形过程中同时进行速度改变，以实现外形状态与飞行状态的同步统一。首先设计了参数依赖的降维状态观测器来估计攻角输出，随后设计了一种I北京理工大学博士学位论文基于多胞形定理和最优理论的增益调度控制器。非线性仿真表明，所设计的控制器能够使飞行器在变形时保持高度稳定，并且对速度指令也有良好的跟踪。针对变后掠变展长飞行器的横侧向控制中滚转效率较低的问题，研究了不对称变形控制问题。首先研究了不对称变形实现滚转的机理

8、，提出了不对称变形的展长舵概念和不对称变形差动等效方法，建立了横侧向LPV模型。之后针对展长舵突发故障进行了故障建模，提出一种基于Gopinath方法的参数依赖增广状态故障观测器，该观测器在考虑干扰的情况下故障观测器仍能够准确估计系统故障。最后基于LMI方法设计了一种LPV-H-GS输出反馈控制器，仿真结果表明：在无故障情况下，系统在全局都保持了良好的性能；针对执行器可能的卡死故障，提出了一种主动容错控制器，根据观测到的故障大小在原鲁棒H