折叠翼飞行器发射段鲁棒非线性控制系统设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252011VOI．32No．101879—1887ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．∞文章编号：1000一6893(2011)10—1879-09折叠翼飞行器发射段鲁棒非线性控制系统设计曹立佳，张胜修*，李晓峰，刘毅男第二炮兵工程大学自动控制工程系，陕西西安710025摘要：为解决折叠翼飞行器在发射段各项特性变化较大、对飞行控制律鲁棒性要求较高的问题，设计了一种以块控反步法为基础的自适应鲁棒非线性控制器。在发射段

2、动态模型基础上，该控制器采用径向基函数(RBF)神经网络自适应逼近飞行器特性变化时的系统未知不确定性和干扰，通过在虚拟控制律中引入动态面控制技术避免多重微分运算，克服了传统反步法所带来的“项数膨胀”问题。利用Lyapunov稳定性定理证明了闭环系统有界且跟踪误差指数收敛于零的一个小邻域。在考虑未知不确定性的情况下，对某型折叠翼飞行器进行的6自由度(DOF)飞行仿真结果验证了所设计控制器的有效性和鲁棒性。关键词：折叠翼飞行器；飞行控制；反步法；RBF神经网络；动态面；未知不确定性中图分类号：V249．12文献标识码：A采用主升力翼和尾翼折叠布局的远程飞行器在发射初段，通常要完成折叠尾翼展

3、开、助推器分离及主升力翼展开等一系列复杂动作。这些动作会造成飞行器在发射初段几何特性与气动特性发生较大变化。在这种飞行条件下，要求所设计的飞行控制器具有较好的稳定性与较强的鲁棒性。姜智超等[13通过分别选取飞行器主升力翼面／立尾展开前后的特征点进行线性化，结合遗传优化和最优二次型控制技术设计了某空射型折叠翼飞行器发射段的控制器，并通过仿真验证了控制器的稳定性和鲁棒性。因为需要对主升力翼面／立尾展开前后的特征点进行线性化，所以该方法对特征点选取及其线性化的准确性要求较高。解决类似的强非线性飞行控制问题，诸如动态逆‘21、反步法(Backstepping)Ⅲ等直接面向非线性系统进行设计的非

4、线性控制技术被认为是更好的方法。尤其是基于Lyapunov稳定性理论的反步法控制技术，具有快速的收敛性和优良的鲁棒性，在飞行控制系统设计中得到越来越多的应用。如：Sharma等[4{]采用反步法分别设计了拦截导弹和飞机的综合控制系统；Sonn-eveldt[73和朱铁夫[8]等则将这一技术应用在多操纵面推力矢量飞机的超机动飞行控制上；Harkegard等[9]提出了直接面向飞行器向量形式动态模型进行反步法控制器设计的方法；Robinson等[10-11]则采用块控反步法(BlockBack—stepping)处理飞行控制中的多变量问题。一般情况下，当存在小范围变化的建模误差时，采用反步

5、法可以获得较好的鲁棒性。但当模型存在较大的突发未知变化时，反步法也不能很好地应对[121。折叠翼飞行器在发射初段的一系列几何特性与气动特性的变化恰恰会导致被控模型出现这种快速未知变化，甚至可能严重偏离原收稿日期：2011-03·24；退修日期：2011-04—09；录用日期：2011·05-20；网络出版时间：2011-05·2617：57网络出版地址：WWW，onki．net／kcmsldetail／11．1929．V．20110526．1757．022．htmlDOI：CNKI：11-1929／V．20110526．1757．022基金项目：国家自然科学基金(60874093)*通

6、讯作者．Tel．：029—84741963E-mail：zsxl963@yahoo．com．on引用格式Il立佳，张鞋修。李晓蜂．等．折i翼飞行器发射段l襻非线性控觏系统设计[∞．航空掌擐．2011．32(10)f1879-1887．CaoLijia·ZhangShengxiu，LiXiaofeng，eta1．Robustnonlinearcontrolsystemdesignforfolding-wingaerialvehiclesduringlaunchingtimeLJ_7．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。20¨。32(10)：1879-1

7、887．航空学报先控制器设计中采用的模型。面对这类不确定性问题，通过逼近器在线逼近不确定性是一种较好的选择。比如：Ren等【133采用参数自适应方法，Lee[14]与Niu【153等引入神经网络进行逼近的方法探讨了反步控制中系统存在不确定性时的解决途径。在前人相关研究基础上，本文以地面发射的折叠翼飞行器发射段的鲁棒控制问题作为背景，通过建立发射段飞行器的动态模型，并将其转化为含有未知不确定性的严格反馈块系统，以块控反步法控制理论为基础，结合自适