[发明专利]基于耦合补偿与转换的高超声速飞行器纵向协调控制方法

说明书

技术领域

本发明公开了基于耦合补偿与转换的高超声速飞行器纵向协调控制方法，属于航天控制技术领域。

背景技术

高超声速飞行器一般指飞行速度大于5马赫数，具有大升阻比乘波体构型。高超声速飞行器具有重要的军事战略意义，是21世纪天空作战的杀手锏武器。目前，高超声速飞行器的研究受到了世界各国的普遍重视。作为高超声速飞行器的关键技术之一，设计出符合高超声速飞行器飞行要求的并且性能良好的飞行控制系统是一项极具挑战的任务。高超声速飞行器在姿态运动、轨迹运动和推进系统之间表现出来的强耦合特性，使得飞行控制系统的设计必须考虑他们之间的协调问题。目前一些研究机构和学术组织在相关领域进行了研究和探索，并取得了一些科研成果。动态补偿与指令滤波器的引入，减缓了姿态轨迹的失调现象，双闭环解耦与非线性观测器的设计有效的处理了内外环耦合问题与不确定问题。本发明针对高超声速飞行器纵向强耦合问题，首先运用耦合度采样方法分析了耦合特性，基于耦合补偿与转换分别设计了速度、高度与姿态回路的协调控制器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供基于耦合补偿与转换的高超声速飞行器纵向协调控制方法。

技术方案：

基于耦合补偿与转换的高超声速飞行器纵向协调控制方法，包括步骤：

步骤1)建立高超声速飞行器纵向系统数学模型，基于耦合度采样方法进行耦合分析；将飞行器纵向系统分解成速度回路、高度回路与姿态回路；

步骤2)基于耦合补偿方法设计速度回路协调控制器；

步骤3)基于协调分层与耦合补偿方法设计高度回路控制器；

步骤4)针对姿态回路的直接导数耦合，采样耦合转换方法设计协调控制器。

所述步骤1)具体为：

步骤1-1)建立高超声速飞行器纵向系统数学模型；

其中V,H,γ,α,q为系统状态变量，分别表示速度、高度、航迹角、攻角与俯仰角速率；Φ,δ_e,δ_c为输入变量，分别为油门开度、左升降舵与鸭翼；L,D为气动力，分别为升力与阻力；T为推力；g为地球重力加速度；M为俯仰力矩；I_yy为惯性积，m为质量；

其中，C_T,Φ(α)为由油门开度Φ引起的推力气动参数，C_T(α)为攻角α引起的推力系数，C_L(α,δ)为舵面与攻角引起的升力系数，C_D(α,δ)为舵面与攻角引起的阻力系数，C_M(α,δ)为舵面与攻角引起的俯仰力矩系数，δ＝[δ_c,δ_e]^T为控制舵面，z_T为推力系数，为动压，c,S为参考面积与长度；

其中为攻角与油门共同引起的推力系数；为攻角引起的推力系数；为攻角引起的俯仰力矩系数；为控制舵面引起的力矩系数；为攻角引起的升力系数；为控制舵面引起的升力系数；攻角引起的阻力系数；为控制舵面引起的阻力系数；

步骤1-2)运用闭环采样统计方法，得到采样统计函数和λ(ψ_i)，和ψ_i是一个系统的两个变量组，其中，j＝1,2,…,m；i＝1,2,…,n；λ(ψ_i)表示为的函数：

其中a_ij是描述对ψ_i影响程度的系数，E是采样点个数，ψ_ik和分别是ψ_i和第k个采样点的值，和分别是ψ_i和的采样均值；

同理，表示为λ(ψ_i)的函数：

其中b_ji是描述ψ_i对影响程度的系数；

则和ψ_i之间的耦合度定义为

η_ij＝a_ij·b_ji(4)

步骤1-3)基于耦合度采样方法，获取纵向模型状态变量间的耦合度：

其中η表示[V,h,γ,α,q]与[Φ,δ_e,δ_c]之间的耦合度，χ表示[H,V]与[γ,α,q]之间的耦合度，σ表示α与[γ,q]之间的耦合度。