基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252014V01．35No．1215-222ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Ehkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计张天翼，周军，郭建国*西北工业大学精确制导与控制研究所，陕西西安710072摘要：针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题，提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型，建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此，利用预测理论

2、设计了飞行器的预测控制器，同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制，从而实现滚动优化的目的；基于干扰观测值与真值的误差，利用Lyapunov稳定性理论，确定了控制精度与预测步长大小的关系；最后，在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真，仿真结果表明，干扰观测器能快速跟踪干扰，并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。关键词：高超声速飞行器；预测控制；参考模型；干扰观测器；误差界限中图分类号：V448．2；V249．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)01—0215—08高超声

3、速飞行器是指飞行速度超过5倍声速的有翼或无翼飞行器，这种飞行器具有速度快、反应时间短、突防能力强等特点[1]。在高超声速飞行条件下，飞行器气动特性的快速变化，使得高超声速飞行器的数学模型呈现出强不确定性[2]，以上问题给高超声速飞行器的控制带来了很多困难。针对高超声速飞行器的控制问题，近年来，自适应控制方法[3]、线性变参数(LPV)控制方法[4]、预测控制方法[5]与线性二次型调节器(LQR)控制方法[63等诸多控制思想均得到了广泛的应用。预测控制理论应用的范围已经从最初的工业生产延伸至航空航天领域[5]。预测控制理论应用的思路主要是通

4、过设计性能指标，调试性能指标中的权矩阵系数及预测步长大小来获得让人满意的控制性能，文献[-73和文献[8]通过设计性能指标函数来直接求解飞行器的预测控制律，文献[9]通过调试性能指标函数中权阵系数大小来同时满足飞行器的性能指标要求与实际物理约束条件。预测控制理论在应用中存在的一个突出问题是需要获得系统精确的数学模型，因此这种控制算法具有一定的局限性，即当系统存在于扰、建模误差等不确定因素时，预测控制的控制性能将大大降低甚至发散。针对这一问题，文献[10-1和文献[11]通过设计复杂的模糊辨识系统来估计控制模型外干扰的大小，虽取得了理想的控

5、制效果，但在线计算量过大；文献[12]～文献[14]通过设计干扰观测器估计飞行器外界的未知干扰来提高飞行器预测控制的控制性能。其中，文献[12]应用非线性系统理论来设计干扰观测器，但设计的前提假设是外干扰的变化速率近似为零，因此将这种干扰观测器收稿日期：2013·01—14；退修日期：2013—05·08；录用日期：2013-09．13；网络出版时间：2013．09．2515：44网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20130925．1544．002．htmI基金项目：国家自然科学基金(611

6、04194)；航天科技创新基金(NIIXW0001)*通讯作者．Tel．：029—88493113E-mail：guojianguo@nwpu．edu．cn戮填格武IZhangTY，ZhouJ，GuoJG．DesignofpredictivecontrollerforhypersonicvehiclesbasedondisturbanceobserverEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。2014。35(1)：215-222．张天翼。．I两军．郭建国．基于f挽观涌器的高超声速飞行器歌测控钢器设计

7、CJ]．航空学报．2e14．35(I)：215-222．航空学报用于观测高超声速飞行器的外界干扰并不合适；文献[13]应用滑模控制原理来设计干扰观测器，这种干扰观测器需要设计基于符号函数的驱动控制，因而在获得干扰观测值时也会引入附加的抖振，这点同时也会影响整个系统的控制性能。至此，预测控制理论在飞行器控制的应用中主要存在以下几个问题：1)预测步长大小与性能指标函数中权矩阵系数大小的选取没有具体的算法。2)目前设计非线性观测器观测外界干扰变化的前提假设包括外界干扰变化速率近似为零或观测误差近似为零，这些假设并不符合飞行器的实际物理情形。3)

8、没有明确说明干扰观测器参数、观测误差与预测步长三者对系统控制精度的影响。基于以上存在的问题，本文针对高超声速飞行器数学模型，通过引入参考模型的方法来避免权矩阵的选取问题；同时针对高超声速飞行器