高超声速飞行器的建模与控制

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高超声速飞行器具有重要的战略意义和极高的应用价值.强耦合,不确定性,参数变化和独特的气动特性使得高超声速飞行器的建模和控制器设计面临严峻的挑战.本文在高超声速飞行器的建模,平衡状态研究和非线性控制器设计三个方面开展了较深入地研究,主要研究成果如下:建立了通用高超声速飞行器(GHV)六自由度的Simulink模型.模型主要包括气动模块,推进模块,惯性模块,加速度模块,大气模块,运动方程模块,地球模块.建模时充分考虑了质量时变特性和环境参数变化,并且引进了风和紊流模块.建立了基于美国航空宇航局数据的仿真模型,为以后的研究工作提供一个仿真平台.并且,进一步讨论了GHV的开环特性.针对含有不稳定模态的GHV平衡状态的求解问题,提出了GA-SQP混合优化求解方法.该方法基于遗传算法,根据误差积分的性能指标准则,采用混沌搜索和淘汰机制,将配平问题转化为代价函数最小值的求解问题.并且,局部搜索引入序列二次规划策略,分步求解出升降舵偏角,油门设置与迎角初始值.建立了基于Simulink的动态模型,仿真结果表明,该算法能够精确地收敛到平衡点,并具有较好的稳定性,而且与初始值无关.该算法为一类复杂非线性系统平衡状态的求解问题提供了一种实用有效的解决方法.基于非线性动态逆策略,运用输入输出线性化技术,设计了GHV的自适应滑模鲁棒控制器.通过自适应调整增益,有效地降低了抖振,提高了系统的鲁棒性能.在一定条件下,系统可在李亚普诺夫意义下实现稳定.仿真结果证明了此方法的有效性.提出了GHV的自适应反步滑模控制策略.基于反步方法,采用RBF的神经网络去逼近未知非线性特性的GHV系统,控制器和自适应律在李亚普诺夫意义下得到,所以可以保证系统的稳定性.进一步的,研究了带有命令滤波器方法的自适应滑模控制,不但有效地保证了参数估计的稳定性,而且有效地减少了虚拟控制导数的计算.在高超声速条件下,纵向运动的仿真结果证明了所设计控制器的有效性.针对GHV的制导系统,基于保性能控制理论设计了鲁棒制导律.运用线性矩阵不等式方法,得到了保性能和最优保性能制导律的控制器.不同大机动情况下的仿真结果表明,与比例导引相比,保性能控制律和最优保性能控制律能成功地导引高超声速飞行器拦截机动目标.所设计的保性能控制器不但抗干扰,而且在遭遇时刻的过载较小,脱靶量小.
中文摘要第3-5页
ABSTRACT第5-6页
第一章 绪论第17-31页
    1.1 研究背景和意义第17-19页
        1.1.1 研究背景第17-18页
        1.1.2 研究意义第18-19页
    1.2 高超声速飞行器的建模研究现状第19-20页
    1.3 高超声速飞行器飞行控制研究现状第20-22页
    1.4 最优化方法第22-27页
        1.4.1 最优化方法概述第22-24页
        1.4.2 遗传算法第24-26页
        1.4.3 序列二次规划第26-27页
    1.5 非线性控制方法第27-29页
        1.5.1 反馈线性化第27页
        1.5.2 动态逆第27-28页
        1.5.3 滑模变结构控制第28页
        1.5.4 鲁棒控制第28-29页
        1.5.5 反步法第29页
    1.6 本文的主要工作第29-31页
第二章 GHV 六自由度建模与分析第31-53页
    2.1 引言第31-32页
    2.2 GHV 概念机的描述第32-34页
        2.2.1 基本结构参数第32-33页
        2.2.2 基本假设第33页
        2.2.3 常用坐标系第33-34页
    2.3 GHV 六自由度非线性仿真模型的建立第34-46页
        2.3.1 气动模块第36-38页
        2.3.2 推力模块第38-39页
        2.3.3 加速度模块第39-40页
        2.3.4 运动方程模块第40-42页
        2.3.5 惯性模块第42-43页
        2.3.6 大气模块第43-44页
        2.3.7 地球模型第44-45页
        2.3.8 GHV 的封装第45-46页
    2.4 GHV 的开环特性分析第46-50页
        2.4.1 GHV 的开环稳定性第47-48页
        2.4.2 GHV 的开环偏离特性第48-49页
        2.4.3 GHV 的运动特性第49-50页
    2.5 小结第50-53页
第三章 GHV 平衡状态的求取第53-70页
    3.1 引言第53-54页
    3.2 高超声速飞行器的纵向模型第54-56页
        3.2.1 纵向动态模型第54-55页
        3.2.2 气动特性分析第55-56页
    3.3 配平算法的设计第56-62页
        3.3.1 平衡状态的约束条件第57页
        3.3.2 代价函数的选择第57-58页
        3.3.3 混沌搜索第58页
        3.3.4 改进的遗传算法第58-60页
        3.3.5 SQP 局部搜索第60-61页
        3.3.6 配平流程第61-62页
    3.4 仿真与分析第62-69页
        3.4.1 SQP 与GA 的仿真结果比较分析第62-64页
        3.4.2 标准模型平衡点的GA-SQP 求解第64-68页
        3.4.3 受扰模型平衡点的GA-SQP 求解第68-69页
    3.5 本章小结第69-70页
第四章 GHV 的自适应滑模鲁棒控制第70-83页
    4.1 引言第70页
    4.2 GHV 鲁棒模型第70-72页
    4.3 GHV 的纵向控制系统设计第72-81页
        4.3.1 GHV 模型的输入输出线性化第72-76页
        4.3.2 GHV 的逆模型第76页
        4.3.3 GHV 的鲁棒控制第76-78页
        4.3.4 GHV 的鲁棒滑模设计第78-79页
        4.3.5 仿真分析第79-81页
    4.4 结论第81-83页
第五章 GHV 的反步滑模控制第83-98页
    5.1 前言第83-84页
    5.2 相关说明第84-85页
        5.2.1 问题描述第84页
        5.2.2 函数逼近第84-85页
    5.3 自适应反步滑模控制第85-89页
    5.4 带有滤波器的自适应反步滑模控制第89-94页
    5.5 GHV 纵向运动仿真第94-97页
        5.5.1 问题描述第94-95页
        5.5.2 控制器设计第95页
        5.5.3 GHV 纵向运动仿真结果第95-97页
    5.6 结论第97-98页
第六章 GHV 基于保性能控制的鲁棒制导律设计第98-112页
    6.1 前言第98-99页
    6.2 保性能控制理论第99-102页
        6.2.1 保性能控制的定义第99页
        6.2.2 保性能控制律第99-101页
        6.2.3 最优保性能控制律第101-102页
    6.3 保性能制导建模第102-104页
        6.3.1 保性能制导律设计第104页
    6.4 制导仿真第104-109页
        6.4.1 恒速第105-106页
        6.4.2 恒加速度机动第106-107页
        6.4.3 桶滚机动第107-108页
        6.4.4 不同发射点拦截第108-109页
    6.5 性能对比第109-111页
        6.5.1 与比例导引对比第109-110页
        6.5.2 两种鲁棒控制器对比第110-111页
        6.5.3 不同发射点的对比第111页
    6.6 结论第111-112页
第七章 总结与展望第112-115页
    7.1 本文的主要工作第112-113页
    7.2 展望第113-115页
参考文献第115-131页
完成的论文及参加科研情况第131-132页
致谢第132页
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