近空间飞行器(Near Space Vehicle,NSV)工作在20～100km的近空间区域,具有高效费比、长滞空时间、高分辨率、强机动性等优点,因此目前对近空间飞行器的研究工作受到世界各军事强国的高度重视。近空间可变翼飞行器(Near Space Morphing V...
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近空间飞行器(Near Space Vehicle,NSV)工作在20～100km的近空间区域,具有高效费比、长滞空时间、高分辨率、强机动性等优点,因此目前对近空间飞行器的研究工作受到世界各军事强国的高度重视。近空间可变翼飞行器(Near Space Morphing Vehicle,NMV)不仅具有强非线性、激烈快时变、强耦合以及严重不确定性的特点,而且还存在小翼伸缩变化问题,因此对近空间可变翼飞行器各模态的控制以及模态切换控制的研究都是极具挑战性的工作。本文针对近空间可变翼飞行器的非线性模型建立、不同飞行模态以及小翼状态下的飞行控制、不同飞行模态和小翼伸缩变化的切换控制等问题进行研究。具体研究内容如下:首先,根据国内外公布的近空间飞行器的模型的数据,结合可变翼的特点建立具有伸缩小翼的近空间可变翼飞行器非线性模型。由于飞行器飞行环境的复杂多变的特性和不同模态飞行任务的差异,建立了大气环境模型和不同模态的发动机推力模型,并分析飞行器的开环特性,为飞行器的飞行控制和切换控制的研究奠定坚实的基础。其次,由于近空间飞行器飞行包络大,不同飞行模态飞行器的特性和控制要求都具有一定的差异。因此,基于飞行任务的差异和小翼状态对近空间可变翼飞行器的模态进行划分,分析各模态约束条件以及小翼状态对气动力和力矩的影响。考虑到滑模控制方法在处理不确定性问题的优点以及抖振的缺点,针对反馈线性化后的等效模型,提出双幂次趋近律滑模控制方法,并设计爬升和巡航模态的飞行控制器。本文首先从理论上证明双幂次趋近律滑模控制方法的稳定性,然后通过仿真验证证明该方法对不同飞行模态控制的有效性和鲁棒性。然后,考虑到模态切换时飞行状态会发生突变,极易造成飞行器的不稳定。因此,针对近空间可变翼飞行器爬升/巡航模态的切换过程,分析直接切换的控制效果,说明设计切换控制律的必要性。考虑到滑模控制方法具有较好的鲁棒性,提出一种基于惯性环节的双幂次趋近律滑模切换控制算法,通过数值仿真分析该方法与传统的惯性环节切换控制方法的优劣。最后,鉴于本文研究对象的特殊性,分析小翼不同状态对飞行控制的影响,对不同小翼状态下的控制系统进行研究。由于小翼状态的变化导致气动参数的变化,因此将基于惯性环节的双幂次趋近律滑模切换控制算法应用到小翼收回/伸出的切换过程,数值仿真验证说明了该方法具有较好的控制效果以及良好的鲁棒性。综上所述,本文针对近空间可变翼飞行器不同模态的飞行控制、飞行模态的切换以及小翼伸缩切换等问题进行研究,提出一种新型的切换控制算法,保证模态切换过程的稳定和平滑。
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