吸气式高超声速飞行器鲁棒非奇异Terminal滑模反步控制

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaMar252017V01．38No3SSN1000一6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．educnhkxb@buaa．edu．cn吸气式高超声速飞行器鲁棒非奇异Terminal滑模反步控制王肖1，郭杰1’*，唐胜景1，徐倩2，马悦悦1’3，张尧11．北京理工大学宇航学院，北京1000812．北京宇航系统工程研究所，北京1000763．北京机电工程总体设计部，北京100854摘要：针对含有参数摄动、外界干扰

2、的吸气式高超声速飞行器弹性模型，设计了一种基于新型非线性干扰观测器的Terminal滑模反步控制器。将考虑弹性模态的飞行器纵向模型表示为严格反馈形式，在传统反步法的基础上采用非奇异快速Terminal滑模控制俯仰角与俯仰角速率，优化了反步法的控制结构，并实现了系统的有限时间收敛。基于跟踪微分器设计了一种新型非线性干扰观测器，并与本文所提滑模反步方法相结合，通过对包括虚拟控制量微分信号在内的不确定性进行估计与补偿，进一步提高了控制器的鲁棒性，同时解决了“微分膨胀”问题。基于Lyapunov稳定性理论证明了系统的

3、跟踪误差于有限时间收敛至零。仿真结果表明，该控制器在存在不确定性的情况下，可以实现对参考输入的稳定跟踪。关键词：高超声速飞行器；滑模控制；反步法；非线性干扰观测器；有限时间收敛中图分类号：V448．2文献标识码：A文章编号：1000一6893(2017)03—320287—13高超声速飞行器是指飞行速度大于5地的飞行器，其速度快、突防能力强，有着巨大的军事价值和经济价值。近期，装配有超燃冲压发动机的吸气式高超声速飞行器(Air-breathingHyper—sonicVehicle，AHV)成为研究发展的热点

4、口]。然而，此类飞行器采用的机体／发动机一体化技术以及乘波体构形使得弹性机体、推进系统以及气动特性之间的耦合更加严重，模型的非线性度更高。同时，AHV飞行包线大，飞行环境复杂，气动特性变化剧烈，模型不确定性强。因此，AHV控制器的设计而临着巨大的挑战[21]。近年来，各类非线性控制算法日渐成熟，逐渐应用于AHV的控制器设计中n1]。其中，反步法(Backstepping)因其适用于多个积分环节串联形成的非线性系统，已广泛应用于AHV的控制系统设计。然而，传统反步法鲁棒性不强，研究者们致力于将其与其他控制方法相

5、结合以提高其鲁棒性。文献[8]采用动态逆反步控制器，利用自适应模糊系统在线辨识系统中的不确定项，保证了控制系统的鲁棒性。文献[9]设计了一种基于RBF神经网络的反步控制器，在飞行器存在强干扰的情况下获得了理想的控制效果。文献[10]针对飞行器存在未知参数和执行器故障的问题，采用自适应反步控制方法，实现了对参考输入的鲁棒收稿日期：2016—04—05；退修日期：2016—04—26；录用日期：2016—06．06；网络出版时间：2016—06—1214：16网络出版地址：wwwcnki．net／kcms／det

6、ai

7、／111929V201606121416012html基金项目：国家自然科学基金(11202024)；航空科学基金(2012zA720002)*通讯作者E—mail：guojiel981@biteducn引用格武；王肖，郭杰，唐胜景，等．吸气式高超声速飞行器鲁棒非奇异Termina

8、滑模反步控勃!JI航空学报，2017，38(3)：320287．wANGx，GUOJ，TANGsJ，eta

9、．RobustnonsIngu

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18、es!JjActaAeronauticaetAstronauticas．nlca，2017．38(3)：320287．320287．1航空学报跟踪。传统反步法所面临的另一问题是：随着系统阶数的增加，需要求取虚拟控制量的高阶微分信号，这会导致“微分膨胀”问题。针对该问题，通过采用动态面技术[1。121或指令滤波器口}14]来间接求取虚拟控制量及其微分信号，从而代替了对虚拟控制量的直接微分。然而，这些方法求得的虚拟控制量与理想值之间仍有误差。当系统参考指令

19、变化较快时，跟踪误差可能很大；同时，这也增加了串级控制系统设计的复杂程度。此外，传统AHV反步控制器中，状态量包含迎角，可以考虑使用俯仰角代替，将俯仰角与俯仰角速率一起控制，从而简化控制器的结构。针对这种结构的控制，一种有效的方法是使用Termi—nal滑模，但传统的Terminal滑模存在控制奇异和远离平衡点时收敛缓慢的问题[15

20、。鉴于此，文献[15—17]对滑模面进行了改进，但在强不确定性的情