高超声速飞行器面向性能优化的多学科综合设计

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1、中图分类号：V271.9论文编号：102871515－S014学科分类号：081105硕士学位论文高超声速飞行器面向性能优化的多学科综合设计研究生姓名季陈晨学科、专业导航、制导与控制研究方向高超声速飞行器控制指导教师陆宇平教授南京航空航天大学研究生院航天学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAstronauticsPerformanceBasedMultidisciplinaryIntegratedDesignofHypers

2、onicVehicleAThesisinNavigationGuidanceandControlByJiChenchenAdvisedbyProf.LuYupingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构

3、的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：摘要以超燃冲压发动机为动力的吸气式高超声速飞行器以其可靠性、快速打击全球等能力成为下一代空天运输系统的研究重点。历史上，控制学科往往是在飞行器概念设计之后融入到飞行器设计中，即飞行器本体系统设计中并没有考虑控制相关的因素。由此设计出来的系统也许无法满足或者需要非常复杂的控制器才能满足技术指标。因此，飞行器设计者需要经过多次迭代才能获得可

4、行的本体与控制器设计。本文基于对高超声速飞行器系统性能限制的分析，提出一种本体-控制器综合设计方法，将控制相关的约束及性能直接融入到飞行器设计流程中。本文研究对象为典型的吸气式高超声速飞行器的纵向动力学模型，其动力学主要特征体现在输入-输出耦合、不稳定性、非最小相位动力学、执行机构饱和度约束等，它们限制了飞行器所能达到的性能。本文着重研究了适合于快速迭代的约束条件和性能指标，并将控制器设计转化为线性矩阵不等式（LMI）问题，进而分别将以本体为中心和以控制为中心的约束条件同时融入到飞行器优化设计中。通过对飞行器本体-控制器耦合特性的分析，选择分布式

5、最优化方法中的顺序结构作为本文的综合优化方案，利用粒子群优化（PSO）算法搜寻最优本体参数集合。本文研究了不同的飞行器设计参数对静态、动态性能以及控制相关性能指标的影响，参数化比较研究的结果可以为本体-控制器综合设计提供参考信息。进而利用高超声速飞行器两个优化设计的例子验证了本体-控制器综合设计流程的有效性。关键词：吸气式高超声速飞行器，多学科综合设计，分布式优化，飞行性能指标，参数化模型IABSTRACTScramjetpoweredair-breathinghypersonicvehiclesareviewedasthenextgenerat

6、ionofhypersonictransportationsystemsduetothereliabilityandtheabilityofglobalreach,etc.Historically,controldisciplineisintroducedintothevehicledesignaftertheconceptualdesignphase,andvehicleplantdesigndoesnotincorporatecontrolrelevantconsiderations.Basedonsuchanapproach,theachi

7、evedsystemmightnotmeetitsspecificationsorrequiresacomplexcontrollertodoso.Therefore,vehicledesignersmightneedtogothroughseveraltimesofiterationstoobtainanacceptableplantandcontrollerdesign.Basedontheanalysisoflimitsofhypersonicvehicleperformance,anintegratedapproachfortheplan

8、tandcontrollerdesignisproposedtoexplicitlyincorporatecontrolrelevant