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高超声速飞行器鲁棒自适应飞行控制方法研究
其他题名Robust and adaptive flight control design for hypersonic flight vehicle
杨芳
学位类型工学博士
导师易建强
2014-05-27
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词高超声速飞行器 飞行控制 鲁棒自适应 自抗扰 二型模糊 不确定性 Hypersonic Flight Vehicle Flight Control Robust Adaptive Active Disturbance Rejection Control Type-2 Fuzzy Logic Uncertainty
摘要高超声速飞行器是指飞行速度大于等于5马赫的飞行器。高超声速飞行器飞行速度快、飞行范围广、反应时间短、突防能力强、有效载荷多,具备重要的军事战略价值和民用空天使用价值。高超声速飞行器飞行控制方法的研究具有重要的理论价值和工程意义。 由于采用机体/发动机一体化设计,高超声速飞行器结构动态、气动动态和推进系统紧密耦合。而且其飞行环境变化剧烈,部分飞行变量测量困难。总之,高超声速飞行器自身建模误差、测量误差以及外界干扰等带来巨大且不可避免的不确定性,因此要求所设计的飞行控制系统具有较强的鲁棒性。 自抗扰控制技术不需要扰动的精确模型,也不需要对扰动做精确测量,其扩张状态观测器可实时估计各种扰动,并进行动态补偿。因此自抗扰控制技术可用于高超声速飞行控制中对不确定性的估计补偿。 二型模糊是一型模糊的推广,具有更好的处理不确定问题的能力。区间二型模糊系统极大降低了二型模糊降型等操作的计算量,在实践中得到广泛应用。本论文首次将二型模糊系统应用到高超声速飞行控制当中。 本课题以高超声速飞行器轨迹跟踪控制为研究背景,结合国家自然科学基金委面上项目、青年科学基金项目以及科技部创新方法工作专项项目,深入研究不确定条件下高超声速飞行器鲁棒自适应飞行控制技术,主要完成以下工作: (1)针对高超声速飞行器反馈线性化模型,提出具有干扰实时估计补偿能力的高阶自抗扰解耦控制算法。引入虚拟控制量,将反馈线性化模型解耦为两个独立通道,分别设计高阶自抗扰控制器。虚拟控制量再经过内环动态逆控制器得到实际控制信号。仿真实验验证了算法的有效性和鲁棒性。 (2)针对不确定条件下高超声速飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出了二型模糊间接自适应控制算法。不确定项由二型模糊自适应系统进行在线估计,然后在动态逆主控制器或者反步主控制器中给予动态补偿。控制律和二型模糊参数自适应律根据李雅普诺夫方法设计,保证了系统的全局稳定性。仿真实验验证了算法的有效性,且二型模糊比一型模糊具有更好的处理不确定问题的能力。 (3)针对有跟踪性能要求的高超声速飞行器的轨迹跟踪控制问题,提出了具有H∞跟踪性能的二型模糊直接自适应控制算法,并给出了控制律和参数自适应律的稳定性定理。仿真实验验证了其良好的控制性能和H∞跟踪性能,且二型模糊比一型模糊具有更好的处理不确定问题的能力。 (4)针对二型模糊系统参数自学习能力不足的问题,引入区间二型模糊神经网络,提出高超声速飞行器二型模糊神经网络直接自适应控制算法,给出了采用KMA降型算法和BP学习算法的二型模糊神经网络参数自适应律。仿真实验验证了算法的有效性和鲁棒性,且二型模糊比一型模糊具有更好的处理不确定问题的能力。 总体而言,针对高超声速飞行器鲁棒自适应飞行控制中出现的不确定问题,本文提出高阶自抗扰解耦控制算法和二型模糊间接/直接自适应控制算法,抑制了不确定性。所设计的控制器取得良好的控制效果,且具有较强的鲁棒性。本文为高超声速飞行器的鲁棒自适应飞行控制提供了几种新的思路,具有潜在的应用价值。
其他摘要Hypersonic flight vehicle (HFV) flies at a speed of more than 5 Ma. HFV has ultra-high speed, large flight envelope, short reaction time, strong penetration capability and can carry more payload. Therefore, HFV has significant military strategic value and civil aerospace application value. The hypersonic flight control technique is rather important for hypersonic techniques. Due to HFV’s airframe/engine integrated design, there exist strong interactions between structural dynamics, aerodynamics and propulsion. Besides, the flight environment of HFV changes dramatically and some flight variables are difficult to measure. In summary, modeling error, measurement error and external disturbances bring big and inevitable uncertainties whichimpose robustness requirement onflight control system design. Active disturbance rejection control (ADRC) needs to know neither the exact model nor the exact measurement of the disturbance. The extended state observer (ESO) of ADRC can estimate various disturbances online and actively compensate them.Therefore, ADRC can be used to estimate and compensate the uncertainty encountered in hypersonic flight control. Type-2 fuzzy logic is an extension of type-1 fuzzy logic, which is more capable of dealing with uncertain problems. Interval type-2 fuzz logic system (IT2-FLS) greatly reduces the computation cost of type-reduction and other operations in type-2 fuzzy logic, and therefore gets more and more used in real application. IT2-FLS is first used in hypersonic flight control in this dissertation. In this dissertation, for the trajectory tracking control of hypersonic flight vehicle, robust and adaptive hypersonic flight control problem is deeply researched under the supports of National Natural Science Foundation of china and Innovation Method Fund of China.The main contributions of this dissertation include the following issues: (1) For the linearized model of a generic hypersonic flight vehicle (GHFV), a high-order decoupled control scheme based on ADRC is proposed. By introducing virtual control variables, the linearized model can be decoupled into two independent channels where high-order ADRC can be designedseparately. The real control signals are then obtained via dynamic inversion control.Simulation results demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed controller. (2) For the trajectory tracking control problem of GHFV under uncertain condition, two indirect adaptive interval type-2 fuz...
馆藏号XWLW2003
其他标识符201118014628022
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6615
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
杨芳. 高超声速飞行器鲁棒自适应飞行控制方法研究[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院大学,2014.
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