针对高超声速飞行器的非线性动态逆最优控制

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1、2011年第l期导弹与航天运载技术No．12011总第311期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo．31l文章编号：1004-7182{2011)01．0036．05针对高超声速飞行器的非线性动态逆最优控制谭毅伦，闰杰(西北工业大学航天学院，西安，710072)摘要：高超声速飞行器具有高度非线性，并且输入输出之间存有耦合。传统控制方案中的线性化处理方法有严重的局限性。采用状态反馈线性化方法对高超声速飞行器纵向模型输入输出线性化，并结合最优控制理论设计控制系统，以求提供满意的非线性解耦控

2、制能力，维持良好的纵向稳定性能。基于某常用的高超声速飞行器模型的仿真研究表明该方案能够使飞行器有效跟踪参考轨迹，满足系统需要．关键词：高超声速飞行器；非线性动态逆；最优控制；纵向飞行控制中图分类号：V249．122文献标识码：ANonlinearDynamicsInversionOptimalControlforHypersonicVehicleTanYilun，YanJie(SchoolofAstronautics，NorthwesternPolytechnicaiUniversity，Xi’all，71

3、0072)Abstract：Hypersonicaircraftshaveahighlynonlineardynamicsandinput／outputcoupling．Conventionalcontrolschemeoflinearizationmethodhasseriouslimitations．Inordertoprovidesatisfactorynonlineardecouplingabilityandmaintaingoodlongitudinalstability,akindofcondi

4、tionfeedbacklinearizationmethodisadoptedinthispapertolinearizetheinputandoutputofahypersoniclongitudinalvehiclemodelandoptimalcontroltheoryisconsideredinthecontrollerdesigning．Simulationbasedonanexistinghypersonicvehiclemodelshowsthatthecontrollersuccessfu

5、llytracksthereferencetrajectoriesandmeetsthesystemneed．KeyWords：Hypersonicvehicle；Nonlineardynamicsinversion；Optimalcontrol；LongitudinalflightcontrolO引言高超声速飞行器是指飞行马赫数为7～10的高性能飞行器，由于受飞行高度和马赫数高的设计和飞行条件的影响，此类飞行器对外形和空气动态参数以及大气条件的变化非常敏感。另一方面，由于受超声速燃烧式冲压发动机的非线性动

6、态特性、高温效应以及高速下气动参数的相互耦合等因素影响，使得高超声速飞行器的飞行控制设计变得极富挑战性12】。传统的飞行控制系统设计过程，往往将非线性模型转变成各个平衡点上的线性模型，然后在每一个平衡点上为其选取控制参数，设计控制律131。这一设计思想用在具有严重非线性的高超声速飞行器模型上有一定的局限性，有时甚至不再适用。而反馈线性化的基本思想就是利用全状态反馈抵消原系统中的非线性特性，得到输入输出之间具有线性行为的新系统(称之为伪线性系统)，从而可以应用线性方法对新系统进行综合。所以基于动态逆的控制器设

7、计在整个高超声速飞行器飞行包线内都是有效的。l高超声速飞行器纵向模型本文中，一种基于CFD计算的二维全尺寸模型被用于控制器设计。这种飞行器完整的飞行数据以及推力数据可以在文献【l】中找到。高超声速飞行器纵向非线性运动方程由速度矿、飞行航道倾角y、高度h、攻角口以及俯仰角速率g的微分方程表达：矿：—Tcosa—-D一—／比si—ny(1)收稿口期：2010-08．29；修回口期：2010-12-05作者简介：谭投伦09so-)，男．博士研究生，主要从事飞行器制导与控翻研究穸：—L+T—sina一—(J—Ⅱ—-

8、—V—2，r)—c—o—s7(2)。mV玢。h=Vsiny口=q一穸(3)(4)第1期i甲毅伦臀针×，f．啊超声速飞}J：器的II线·什动念逆上li优控制37口：丝(5)一个／∈{I’‘’．2“，朋】满足：，。∥工。，(￡；一。^)≠o·(23)式中￡2吉p矿2犯c‘∞因此，对于输出y的第f个套量，有：D=了1p矿2SC。(7)办=L／hj+∑(￡g，^弦，=L／h1(24)T=毒py2SCr(8)见=工；啊+∑