《高超聲速飛行本體約束下典型控制結構的最佳化與分析》是依託南開大學，由孫明瑋擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高超聲速飛行本體約束下典型控制結構的最佳化與分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：孫明瑋
- 依託單位：南開大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
以高超聲速飛行器實現目標任務線上重分配為目的，對典型控制結構進行性能分析和最佳化設計，以降低本體力學約束對於高動態航跡跟蹤的不利影響。首先，在針對飛行器氣動特性約束方面，研究基於線性擴張狀態觀測器的大空域高動態俯仰姿態控制，在此基礎上通過預測校正機制，設計俯仰姿態穩定-航跡高精度跟蹤的協調控制規律，抑制航跡-姿態的不協調性。其次，在考慮執行機構的快速性限制因素方面：針對頻帶約束分析PID控制的動態性能實現範圍，作為姿態指令的約束條件，同時也是最佳化線性自抗擾姿態控制反饋增益的基礎；針對偏轉速率約束，設計面向傳統控制結構的實時魯棒指令調整規律。上述兩類研究成果可為快速航跡指令跟蹤提供有效方法。再次，考慮大功率執行機構的摩擦等強非線性特性，基於指令補償的思想和擾動觀測器方法，分別研究直接與間接補償方案，從一體化使用層面抑制穩態情況下產生姿態振盪的根源，探索觀測補償精度與魯棒性的內在影響關係。
結題摘要
高超聲速飛行器是近十幾年來國內外的研究熱點，是集空氣動力學、材料學、發動機、飛行控制等多個行業精華的系統工程，反映了一個國家的技術經濟實力。本課題以高超聲速飛行器實現目標任務重分配為目的，對典型控制結構進行性能分析和最佳化設計，以降低本體動力學約束對於高動態航跡跟蹤帶來的不利影響，在如下方面取得創新性研究成果：(1)分別完成了歐拉和氣流框架姿態角下的線性自抗擾控制設計，通過D-分割方法實現了參數圖形化整定；針對高超聲速飛行器獨特的航跡相對於俯仰姿態慣性時間常數過大的問題，採用前饋—反饋複合的串級線性自抗擾控制結構，有效提高航跡角的回響速度；設計了滿足超燃衝壓發動機狹小轉級視窗需求的助推快速爬升段的姿態—高度—速度參數化顯式自適應匹配製導律；針對高超聲速飛行器快速時變的高度指令跟蹤問題，設計了高精度的彈道傾角解算—前饋—串級複合控制體制；設計並初步分析了廣義預測自抗擾控制；證明了一般二階非線性系統的降階自抗擾控制的閉環穩定性。(2)對於氣動伺服彈性問題進行了深入系統的研究，分別給出了串聯式與並聯式同時估計多彈性模態頻率的自適應陷波濾波算法，同時採用了合適的保護機制，避免了隨機算法不確定性對於閉環穩定性的不利影響。(3)利用靜不穩定飛行器的開環動力學特性，對於PID控制的穩定裕度計算公式進行了近似，得到了PD控制參數的解析整定公式，並可以獲得不同執行機構頻寬下的可達穩定裕度範圍。(4)研究了擴張狀態觀測器頻寬對於時延攝動容忍範圍的影響關係，證明了閉環系統對於時延的容忍範圍隨著觀測器頻寬的提高而單調下降。(5)對於執行機構的電機摩擦動力學，探索了切換擴張狀態觀測器、前饋補償策略和積分泄露幾種手段的有效性，並進行了試驗驗證。該項目在高超聲速飛行器控制領域取得系統性創新研究成果，這些研究成果不僅豐富了飛行控制理論以及電機摩擦補償方法，而且在航空航天領域具有重要套用前景，部分技術已經在合作單位北京空天技術研究所得到實際飛行試驗套用。取得的成果：在國內外刊物及會議發表學術論文45篇，其中包括SCI源刊物論文22篇(IEEE期刊論文2篇)，EI源刊物論文13篇；在科學出版社出版專著1部；授權發明專利1項；培養博士生6名(畢業3名)，碩士生10名(畢業9名)。全面完成了項目任務書中的各項指標。
