应用分数阶控制器的飞行器精细姿态控制研究.pdf

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1、２０１３年６月西北工业大学学报Ｊｕｎｅ２０１３第３１卷第３期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３１Ｎｏ．３应用分数阶控制器的飞行器精细姿态控制研究１２３４王鑫，孟斌，肖鲁，闫代维（１．西北工业大学航天学院，陕西西安　７１００７２；２．航天恒星科技有限公司，北京　１０００８６３．北京宇航系统工程研究所北京　１０００７６；４．西安现代控制技术研究所，陕西西安　７１００６５摘要：针对某升力体高超声速飞行器在超燃冲压发动机工作前后的姿态控制问题，分析了发动机进气道关闭、打开和发动机点火３种状态下的机体气动特性。建立了典型的升力体高超声速

2、飞行器的数学模型。采用分数阶控制器的结构和参数配置方法，设计了飞行器的法向过载控制器。控制器内回路采用极点配置法以改善控制系统的动态特性；外回路采用分数阶控制器来配置控制参数以满足飞行器高精度的姿态控制要求。仿真结果表明３种状态下升力体高超声速飞行器机体姿态均控制在平衡位置的±１°动态范围内。关键词：升力体飞行器，气动特性，分数阶控制器，姿态控制中图分类号：Ｖ２１６．８　　　文献标识码：Ａ文章编号：１０００-２７５８（２０１３）０３-０３５０-０５目前由于高速飞行器的冲压发动机工作条件的限制，对其在平飞巡航段的姿态控制技术提出了很1气动特性分析和数学建模高的要求。具体体现在要将飞行器的姿态

3、精细的控制在平衡攻角和平衡侧滑角附近很小的范围内，并1．1气动特性分析且动态调整能力要符合高动态的飞行环境要求。美以一个具有典型意义的升力体构型飞行器为研国Ｘ-４３飞行器的的指标是：平衡攻角±１°、侧滑角：究对象，基本完成了其３种状态下的气动性能的计０°±１°。在文献［１，２］的分析中，国内外的理论研算和分析。这３种状态分别是：发动机进气道堵盖究体现在飞行器的建模、非线性控制和高精度姿态未打开，简称ｃｌｏｓｅ状态；发动机堵盖打开，简称ｏｐｅｎ控制器结构设计等方面，试图建立更准确的数学模状态；发动机堵盖打开并点火，简称ｆｉｒｅ状态。发动型，追求高品质的飞行控制技术。文献［３］中Ｐｒｉｎ-机堵

4、盖关闭状态表示为发动机的进气道前端由盖板ｃｅｔｏｎ大学的ＷａｎｇＱｉａｎ等人给出了一种具有动态封闭，发动机堵盖打开表示堵盖顺风开启。发动机逆效果的非线性姿态控制器结构。国内的研究由于点火表明了超燃冲压发动机产生推力的过程。这３没有验证机等实体飞行器，因此多以理论探讨为主，种状态的气动外形［５］见图１。如文献［４］滑模非线性控制器设计了高超声速飞行器的控制系统。本文则针对一种升力体复杂外形的试验飞行器，分析其在超燃冲压发动机进气道关闭、进气道打开和发动机工作３种条件下的气动特性，提出了精细姿态控制的方法，给出发动机不同工作状态下高速飞行器气动性能的改变程度及有针对性的设计控图１　升力体飞行器

5、３种气动外形图制器参数；为升力体飞行器要求的精细姿态控制提供依据。收稿日期：２０１２-０９-１４　　　　　　　　　　基金项目：国家自然科学基金（６１０７４１９４、９１２１６１０４、６１２０３２０２）、西北工业大学基础研究基金（ＪＣ２０１２０６）与航空科学基金（２０１２ＺＡ５３００４）资助作者简介：王鑫（１９７７—），西北工业大学副教授，主要从事先进控制理论及应用、飞行器测试与仿真的研究。第３期王鑫等：应用分数阶控制器的飞行器精细姿态控制研究·５３·１本文分析了这３种状态下的气动力和气动力矩图２至图４气动分析中对比ｏｐｅｎ、ｃｌｏｓｅ、ｆｉｒｅ３特性，并且以气动数据为基础，分析各个状态下气动

6、种状态下的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数的力和气动力矩关于攻角、侧滑角以及各舵偏角的解特性差异。从图２～图４可以看出，基于目前的计析表达式。这３个阶段可以看成是飞行器在初始条算气动数据，ｃｌｏｓｅ状态与ｏｐｅｎ和ｆｉｒｅ状态相比，气件下气动参数发生变化，从而对姿态控制产生了影动特性差异体现在由于安装在飞行器腹部进气道前响。３种状态典型的气动分析结果分别见图２至端的堵盖打开，带来的阻力系数和俯仰力矩系数的图４。明显变化。图２　升力系数随攻角变化图图３　阻力系数随攻角变化图图４　俯仰力矩系数随攻角变化图1．2数学建模ｃｏｓ矱c（－ｓｉｎ矱cｃｏｓγｃｏｓχ＋ｃｏｓ矱cｓｉｎγ）２建立了具有典

7、型意义的升力体构型飞行器的数ωerｓｉｎ矱cｃｏｓ矱cｓｉｎχ（１）学模型，分为质心动力学模型、绕质心转动的动力学ｃｏｓ矱c（－ｓｉｎ矱cｓｉｎγｃｏｓχ－ｃｏｓ矱cｃｏｓγ）模型、质心运动学模型、欧拉角解算模型和弹道计算航迹坐标系Sk与当地铅锤坐标系Sv通过角χ模型等。编写了六自由度仿真程序，为开展本项目和γ相联系，χ为航迹偏角，是速度矢量Vk在当地水姿态控制方法的研究提供了仿真基础。建模中气动平面上的投影与轴xv之间