空天飛行器不確定非線性魯棒自適應(yīng)控制.pdf

1、空天飛行器(ASV)是各國(guó)正在大力發(fā)展的新型航空航天飛行器，它們?cè)谶\(yùn)行中表現(xiàn)出的多任務(wù)、多工作模式、大范圍高速機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)使得控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的研究課題。圍繞這一基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，本文在空天飛行器建模與分析、不確定非線性系統(tǒng)控制和自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面開(kāi)展了較為深入的研究。 首先，根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)資料建立起ASV超聲速和高超聲速飛行條件下6 自由度數(shù)學(xué)模型。該模型包含完整的動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，其中氣動(dòng)力系數(shù)和

2、力矩系數(shù)是迎角，馬赫數(shù)及氣動(dòng)舵面偏角的函數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)模型為吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)和變推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組合推進(jìn)裝置，飛行器的質(zhì)心、慣性矩是飛行器質(zhì)量的時(shí)變函數(shù)。開(kāi)環(huán)分析表明整個(gè)模型能夠體現(xiàn)出ASV 復(fù)雜的非線性、耦合性以及快速時(shí)變性等特點(diǎn)，具有一定的代表性，可以滿足未來(lái)ASV 先進(jìn)制導(dǎo)和控制等問(wèn)題的理論研究和仿真驗(yàn)證需要。 其次，基于此平臺(tái)研究了ASV 的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。軌跡線性化控制(TLC)是一種新穎有效的非線性跟蹤和解耦控制方法，文

3、中首先對(duì)它的設(shè)計(jì)思想和理論基礎(chǔ)進(jìn)行回顧。然后根據(jù)奇異攝動(dòng)理論，將ASV 的飛行控制系統(tǒng)分成快慢回路，并分別為它們?cè)O(shè)計(jì)TLC 控制器。最后在ASV 高超聲速飛行條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以檢驗(yàn)該控制系統(tǒng)的有效性和魯棒性。 接著，通過(guò)理論分析找出系統(tǒng)中存在的不確定對(duì)當(dāng)前TLC 方法產(chǎn)生不利影響的機(jī)理，指出隨著不確定的增大，TLC 方法性能會(huì)不斷降低直至失效。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文基于補(bǔ)償思想提出一種新的TLC 控制策略和控制結(jié)構(gòu)，并首先利

4、用非線性干擾觀測(cè)器對(duì)于不確定的估計(jì)能力加以實(shí)現(xiàn)，給出一種基于非線性干擾觀測(cè)器的軌跡線性化控制新方法。基于Lyapunov 理論證明出閉環(huán)系統(tǒng)所有誤差信號(hào)均以指數(shù)形式收斂至零。數(shù)值例子和ASV 的仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，新方法不僅有效而且能夠大大提高不確定條件下TLC 的控制性能和魯棒性。 隨后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)未知非線性函數(shù)的逼近能力，提出一種新的魯棒自適應(yīng)軌跡線性化(RATLC)控制結(jié)構(gòu)。首先利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一控制策略，設(shè)計(jì)

5、出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)律，采用Lyapunov 方法嚴(yán)格證明出在自適應(yīng)調(diào)節(jié)律作用下閉環(huán)系統(tǒng)所有誤差信號(hào)最終有界。最后將所得結(jié)果推廣至單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 高精度地逼近系統(tǒng)中存在的不確定，可大大提高控制效果，為此本文研究了兩種新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干擾觀測(cè)器技術(shù)。該技術(shù)具有廣泛的適用性，可與已有的很多控制方法結(jié)合來(lái)提高它們?cè)诓淮_定條件下的控制性能，因此該研究結(jié)果對(duì)于發(fā)展不確定非線性系統(tǒng)逼近策略具有重要的借鑒意義。在此基礎(chǔ)上，提出新的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干

6、擾觀測(cè)器的RATLC 控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出合適的自適應(yīng)調(diào)節(jié)律并利用Lyapunov 穩(wěn)定性理論進(jìn)行了嚴(yán)格的證明。上述所有RATLC 方案均在ASV 高超聲速飛行條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明這些控制算法不僅有效，而且可以獲得非常優(yōu)異的控制性能。因此RATLC 策略使得當(dāng)前TLC 方法獲得很大的發(fā)展。 最后，研究了ASV 自主式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)多智能體技術(shù)的簡(jiǎn)單回顧指出該技術(shù)用于ASV 自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)