弹性体高超声速飞行器自适应控制器设计

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1、第30卷第7期计算机仿真2013年7月文章编号：1006—9348(2013)07—0033—04弹性体高超声速飞行器自适应控制器设计肖进，李惠峰(北京航空航天大学宇航学院，北京100191)摘要：研究控制器优化设计问题，为能使飞行控制系统精确跟踪控制指令，并抑制住机体的结构弹性振动，研究了一种带自适应结构滤波器的LQR积分控制器。其中，LQR积分状态反馈控制器用来跟踪飞行速度与航迹倾角指令，结构滤波器用来抑制弹性模态。由于在高超声速飞行过程中结构的振动频率与阻尼比是随时间变化的，造成弹性振动偏差大。为此设计了一种鲁棒估计器来在线辨识弹性模态，并将辨识的结构自然频率作为结构滤波器的中心频

2、率。通过在吸气式高超声速飞行器纵向非线性模型上进行仿真验证，结果显示控制方法能很好地满足跟踪指令与结构弹性抑制的要求。关键词：高超声速飞行器；结构滤波器；自适应控制；数学模型中图分类号：V19文献标识码：BAdaptiveControllerDesignofFlexibleHypersonicVehicleXIA0Jin，LIHui—feng(BeihangUniversitySchoolofAstronautics，Beijing100191，China)ABSTRACT：Inordertoaccuratelytrackthecontrolinstructionsofflightcon

3、trolsystemandsuppressthestructurevibration，aLQRintegralcontrollerwithadaptivenotchfilterwaspresentedinthispaper．TheLQRintegralstatefeedbackeontroHerwadesignedtotrackthevelocityandflightpathangleinstructions，andthenotchfilterWaSusedtosuppressthe．flexiblemode．Duetothefactthatthefrequencyanddampingr

4、atiooftheflexiblemodesareuncertainwhentheflightconditionchanges，arobustonlineestimatorWaSdesignedtoidentifythefrequencyoftheslowestflexi—blemode；andtaken船thecenterfrequencyofnotchfilter．Then．thisadaptivenotchfiltercansuppressthechan-gingflexiblemodeonline．Whensimulatedwiththenonlinearlongitudinal

5、modelofagenericair-breathinghypersonicflightvehicle，theresultsshowthatthecontrolschemehaSgoodcontroleffect．KEYWORDS：Hypersonicvehicles；Notchf'dter；Adaptivecontrol；Mathematicalmodels1引言新一代的吸气式高超声速飞行器(如x一43，x一51)广泛采用超燃冲压发动机，轻质复合材料及乘波体布局等新技术，这些因素会导致结构固有振动频率的降低，并且结构载荷力随着飞行马赫数的升高而迅速增大，使得结构振动问题越来越突出，甚至

6、出现了刚体运动与结构振动相互耦合的情况。这时，作为控制对象的飞行器必须充分考虑其弹性特性。近年来，美国部分学者开展了以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器的弹性体建模与控制系统仿真工作。1994年，学者FrankR．Chavez与DavidK．Schmidt进行了高超声速飞行器超燃冲压发动机与气动弹性耦合建模⋯。2005—2007年，基于以上研究成果，学者MichaelA．Bolender与DavidB．Doman建立了乘波体外形的弹性体纵向平面动基金项目：自然基金(61174221)收稿日期：2012—10—24力学模型，气动力模型及超燃冲压发动机模型【2’3J。学者A卜mandoA．

7、Rodriguez与JeffreyJ．Dickeson开展了机体控制／超燃冲压发动机一体化设计与分析工作H1。另外，文献[5，6]中将一种综合Ⅱ．v方法用于气动加热导致的弹性模态变化的控制中。文献[7，8]中介绍了结构滤波器在常规航空飞行器中的弹性抑制应用。国内学者高建力等人也做了相关建模工作一J。2数学模型由于此类飞行器的典型任务为巡航飞行，不涉及侧滑及滚转运动，因此本文只考虑其纵向平面运动。于是，弹性体吸气式高超声速飞行器的纵向