第1章 緒 論………………………………………………………………………… 1
1.1 國內外研究現狀及分析……………………………………………………… 1
1.1.1 國內外高超聲速飛行器的研究概況…………………………………… 1
1.1.2 高超聲速飛行器控制技術的研究現狀………………………………… 5
1.1.3 反演技術及其在飛行控制中的應用現狀……………………………… 6
1.1.4 不確定非線性繫統控制方法概述……………………………………… 7
1.1.5 觀測器技術及其在飛行控制中的應用現狀…………………………… 7
1.1.6 容錯控制技術…………………………………………………………… 9
1.1.7 控制分配技術應用概述………………………………………………… 9
1.1.8 飛行器的制導技術……………………………………………………… 11
1.2 本書的任務和目標…………………………………………………………… 14
第2章 非線性控制相關理論基礎………………………………………………… 15
2.1 非線性微分幾何……………………………………………………………… 15
2.1.1 相對階…………………………………………………………………… 15
2.1.2 局部坐標變換…………………………………………………………… 16
2.1.3 規範形…………………………………………………………………… 16
2.2 Lyapunov穩定性定理……………………………………………………… 17
2.3 自適應反演控制理論………………………………………………………… 18
2.4 非線性狀態觀測器…………………………………………………………… 19
2.4.1 基於擴展Luenberger方法的狀態觀測器設計……………………… 19
2.4.2 基於線性化法的狀態觀測器設計……………………………………… 19
2.4.3 基於類Lyapunov法的狀態觀測器設計……………………………… 20
2.4.4 基於滑模觀測器的狀態觀測器設計…………………………………… 20
2.5 控制分配……………………………………………………………………… 21
2.5.1 控制分配問題描述……………………………………………………… 21
2.5.2 控制分配方法綜述……………………………………………………… 22
本章小結…………………………………………………………………………… 29
第3章 高超聲速飛行器非線性模型的建立及開環特性分析…………………… 30
3.1 高超聲速飛行器六自由度非線性數學模型………………………………… 30
3.1.1 常用坐標繫定義………………………………………………………… 32
3.1.2 質心動力學方程………………………………………………………… 32
3.1.3 質心運動學方程………………………………………………………… 33
3.1.4 繞質心轉動的動力學方程……………………………………………… 34
3.1.5 質心轉動運動學方程…………………………………………………… 35
3.1.6 建立α,β,μ 的導數方程………………………………………………… 35
3.1.7 側向過載方程…………………………………………………………… 36
3.2 高超聲速飛行器開環特性分析……………………………………………… 37
本章小結…………………………………………………………………………… 40
第4章 全狀態可量測高超聲速飛行器控制繫統設計…………………………… 41
4.1 飛行器模型精確已知時控制繫統反演設計………………………………… 41
4.1.1 繫統描述………………………………………………………………… 41
4.1.2 控制繫統設計與穩定性分析…………………………………………… 42
4.1.3 仿真驗證………………………………………………………………… 44
4.2 基於動態面的不確定性高超聲速飛行器控制繫統設計…………………… 48
4.2.1 動態面控制技術………………………………………………………… 49
4.2.2 繫統描述………………………………………………………………… 50
4.2.3 動態面自適應反演控制繫統設計與穩定性分析……………………… 53
4.2.4 仿真驗證………………………………………………………………… 58
本章小結…………………………………………………………………………… 60
第5章 基於角速率觀測器的高超聲速飛行器容錯控制………………………… 61
5.1 具有角速率傳感器故障的高超聲速飛行器觀測器及控制器設計………… 62
5.1.1 繫統描述………………………………………………………………… 62
5.1.2 高超聲速飛行器的角速率觀測器及控制器設計……………………… 67
5.1.3 仿真驗證………………………………………………………………… 70
5.1.4 小 結…………………………………………………………………… 73
5.2 部分作動器故障情況下高超聲速飛行器自適應容錯控制器設計………… 73
5.2.1 繫統描述………………………………………………………………… 74
5.2.2 高超聲速飛行器自適應容錯控制設計………………………………… 82
本章小結…………………………………………………………………………… 85
第6章 基於迎角觀測器的高超聲速飛行器控制繫統設計……………………… 86
6.1 高超聲速飛行器的繫統輸出及迎角觀測器的選擇問題…………………… 86
6.1.1 高超聲速飛行器繫統輸出的選擇問題………………………………… 86
6.1.2 基於類Lyapunov法的滑模觀測器…………………………………… 88
6.2 高超聲速飛行器三通道迎角觀測器及控制器設計………………………… 88
6.2.1 觀測器設計……………………………………………………………… 88
6.2.2 控制器設計及穩定性分析……………………………………………… 91
6.2.3 仿真驗證………………………………………………………………… 96
本章小結…………………………………………………………………………… 100
第7章 高超聲速飛行器復合控制研究…………………………………………… 101
7.1 發動機推力和推力矩模型………………………………………………… 102
7.1.1 吸氣式發動機的推力計算…………………………………………… 103
7.1.2 主火箭發動機的推力計算…………………………………………… 103
7.1.3 推力矩的計算………………………………………………………… 104
7.2 控制繫統設計與仿真……………………………………………………… 105
7.2.1 控制繫統設計與穩定性分析………………………………………… 107
7.2.2 仿真驗證……………………………………………………………… 108
本章小結…………………………………………………………………………… 111
第8章 多執行機構高超聲速飛行器非線性控制分配…………………………… 112
8.1 問題描述…………………………………………………………………… 112
8.2 控制器設計………………………………………………………………… 113
8.2.1 虛擬控制律設計……………………………………………………… 113
8.2.2 控制分配律設計……………………………………………………… 114
8.2.3 閉環繫統穩定性……………………………………………………… 117
8.2.4 仿真驗證……………………………………………………………… 119
本章小結…………………………………………………………………………… 120
第9章 高超聲速飛行器滑翔段制導方法研究…………………………………… 121
9.1 考慮航路點的再入參考軌跡快速生成方法……………………………… 122
9.1.1 偽譜法求解優化問題的一般描述…………………………………… 122
9.1.2 多約束條件下滑翔式高超聲速飛行器再入軌跡優化……………… 124
9.1.3 非線性規劃問題的求解……………………………………………… 127
9.1.4 仿真算例與分析……………………………………………………… 128
9.2 基於LQR的滑翔段制導方法…………………………………………… 131
9.2.1 運動方程線性化……………………………………………………… 131
9.2.2 反饋增益繫數的確定………………………………………………… 133
9.2.3 仿真分析……………………………………………………………… 133
9.3 考慮禁飛區的高超聲速飛行器側向機動制導…………………………… 134
9.3.1 側向機動制導方案…………………………………………………… 135
9.3.2 側向制導邏輯………………………………………………………… 137
9.3.3 仿真分析……………………………………………………………… 138
本章小結…………………………………………………………………………… 140
第10章 高超聲速飛行器下壓段偽譜反饋制導方法研究……………………… 141
10.1 實時偽譜反饋制導算法……………………………………………… 142
10.1.1 問題描述……………………………………………………………… 142
10.1.2 實時偽譜反饋算法……………………………………………… 142
10.1.3 算法收斂性分析……………………………………………………… 144
10.1.4 穩定性證明…………………………………………………………… 146
10.2 仿真算例…………………………………………………………………… 150
10.2.1 針對固定目標仿真分析……………………………………………… 151
10.2.2 針對移動目標仿真分析……………………………………………… 152
本章小結…………………………………………………………………………… 155
附 錄………………………………………………………………………………… 156
附錄A 注釋表………………………………………………………………… 156
附錄B 美國NASA 高超聲速飛行器Winged-Cone氣動參數……………… 158
附錄C 基於擴展的Luenberger方法的觀測器誤差動態穩定性證明……… 164
參考文獻……………………………………………………………………………… 167