应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252015Vol36No．103327．3337ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CRDOI：10．7527／S1000—6893．2015．0030应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计肖地波，陆宇平，刘燕斌*，许晨南京航空航天大学航天学院，南京210016摘要：针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求，应用保护

2、映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型，在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数，然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围，通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数，进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数，并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明，所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求，实现闭

3、环系统的鲁棒稳定。关键词：保护映射；高超声速飞行器；自适应控制；线性变参数(LPV)；大包线控制中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)10-3327—1l吸气式高超声速飞行器飞行包线大、模型非线性强等特点给其控制带来了许多挑战，飞行控制技术已成为高超声速飞行器的关键技术之一，近年来得到了广泛研究[1]。高超声速飞行器控制律设计方法可分为线性设计方法和非线性设计方法，国内外学者都进行了大量研究。其中，线性设计方法主要有增益调度控制[2。4]和线性变参数(LPV)方法[5

4、州等，非线性设计方法主要有基于反馈线性化的方法[7。8]、基于动态逆的方法[91和反步法[】“¨3等。增益调度控制方法设计较为简单，并且非常适用于高超声速飞行器大包线飞行控制问题，在X一43A中已经得到了应用[21；增益调度控制由一系列控制器参数组成，需要设计后插值处理。LPV方法避免了插值处理，但相对保守，可能导致解不存在。基于反馈线性化的方法没有对模型进行近似处理，其对非线性系统的控制效果依赖于模型的精确度；动态逆方法需要在线对非线性耦合特性进行准确建模；反步法能够保证闭环系统全局稳定，但要求控制模型可

5、以转换成严格反馈的形式。保护映射理论最初由Saydy等【123提出，用以分析参数化矩阵族和多项式的广义稳定性。该理论可以方便地用来分析带参数系统的区域稳定性，在控制理论中得到了广泛应用。例如：Ebiha—ra等[13]应用保护映射理论对二维系统进行了精确稳定性分析；Chen等[14]用保护映射理论分析了区间系统的鲁棒稳定性；Saussie等[153首次将保护映射理论用于控制律设计，将飞行器操纵品质指标转换为参数矩阵的稳定区域，同时基于保护映射理论设计了关于该区域稳定的控制器，并收稿日期：2014．10—29

6、；退修日期：2014．12一01；录用日期：2015—01-23；网络出版时间：2015—0l-3015：06网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20150130．1507002．htmI基金项目：国家自然科学基金(61403191)；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(CXZZl3_0169)；北航虚拟现实技术与系统国家重点实验室开放基金(BUAA-VR一14KF一03)*通讯作者．Tel．：025．84896521—6206E-mail：liuyb@

7、nuaa．educrl硪糟格武IXlaoDB．LuYP．LiuYB。etal．Adaptivecontrollawdesignusingguardianmapstheoryforhypersonicvehicles[JJ．ActaAero．nauticaetAstronauticaSinica．2015．36(10)：3327-3337÷落地波．陆宇平．赳燕斌．等应厢保护映射理论的高超声速飞行器自适应控静j律设讦[∞航空学报．2015．36(10)：3327—3337．航空学报Oct．252015VoI36

8、No．10进一步研究提出了基于保护映射理论的飞行器增益调度控制算法[16

9、，并得到了实际应用[17。。本文基于上述研究，将保护映射理论应用于高超声速飞行器控制中，以满足高超声速飞行器参数变化大的控制需求，并发展出一种基于保护映射理论的高超声速飞行器控制器参数自动整定方法，扩展了保护映射的应用范围。首先建立高超声速飞行器的LPV模型，该模型不需要转换为多胞形结构；然后根据控制需求确定各类极点对应的稳定区域；在确定控