第1章 緒 論………………………………………………………………………… 1
1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析……………………………………………………… 1
1.1.1 國內(nèi)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(shù)的研究現(xiàn)狀………………………………… 5
1.1.3 反演技術(shù)及其在飛行控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀……………………………… 6
1.1.4 不確定非線性系統(tǒng)控制方法概述……………………………………… 7
1.1.5 觀測(cè)器技術(shù)及其在飛行控制中的應(yīng)用現(xiàn)狀…………………………… 7
1.1.6 容錯(cuò)控制技術(shù)…………………………………………………………… 9
1.1.7 控制分配技術(shù)應(yīng)用概述………………………………………………… 9
1.1.8 飛行器的制導(dǎo)技術(shù)……………………………………………………… 11
1.2 本書的任務(wù)和目標(biāo)…………………………………………………………… 14
第2章 非線性控制相關(guān)理論基礎(chǔ)………………………………………………… 15
2.1 非線性微分幾何……………………………………………………………… 15
2.1.1 相對(duì)階…………………………………………………………………… 15
2.1.2 局部坐標(biāo)變換…………………………………………………………… 16
2.1.3 規(guī)范形…………………………………………………………………… 16
2.2 Lyapunov穩(wěn)定性定理……………………………………………………… 17
2.3 自適應(yīng)反演控制理論………………………………………………………… 18
2.4 非線性狀態(tài)觀測(cè)器…………………………………………………………… 19
2.4.1 基于擴(kuò)展Luenberger方法的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)……………………… 19
2.4.2 基于線性化法的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)……………………………………… 19
2.4.3 基于類Lyapunov法的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)……………………………… 20
2.4.4 基于滑模觀測(cè)器的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)…………………………………… 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(jié)…………………………………………………………………………… 29
第3章 高超聲速飛行器非線性模型的建立及開環(huán)特性分析…………………… 30
3.1 高超聲速飛行器六自由度非線性數(shù)學(xué)模型………………………………… 30
3.1.1 常用坐標(biāo)系定義………………………………………………………… 32
3.1.2 質(zhì)心動(dòng)力學(xué)方程………………………………………………………… 32
3.1.3 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)方程………………………………………………………… 33
3.1.4 繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程……………………………………………… 34
3.1.5 質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程…………………………………………………… 35
3.1.6 建立α,β,μ 的導(dǎo)數(shù)方程………………………………………………… 35
3.1.7 側(cè)向過載方程…………………………………………………………… 36
3.2 高超聲速飛行器開環(huán)特性分析……………………………………………… 37
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 40
第4章 全狀態(tài)可量測(cè)高超聲速飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………… 41
4.1 飛行器模型精確已知時(shí)控制系統(tǒng)反演設(shè)計(jì)………………………………… 41
4.1.1 系統(tǒng)描述………………………………………………………………… 41
4.1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析…………………………………………… 42
4.1.3 仿真驗(yàn)證………………………………………………………………… 44
4.2 基于動(dòng)態(tài)面的不確定性高超聲速飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………… 48
4.2.1 動(dòng)態(tài)面控制技術(shù)………………………………………………………… 49
4.2.2 系統(tǒng)描述………………………………………………………………… 50
4.2.3 動(dòng)態(tài)面自適應(yīng)反演控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析……………………… 53
4.2.4 仿真驗(yàn)證………………………………………………………………… 58
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 60
第5章 基于角速率觀測(cè)器的高超聲速飛行器容錯(cuò)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(cè)器及控制器設(shè)計(jì)………… 62
5.1.1 系統(tǒng)描述………………………………………………………………… 62
5.1.2 高超聲速飛行器的角速率觀測(cè)器及控制器設(shè)計(jì)……………………… 67
5.1.3 仿真驗(yàn)證………………………………………………………………… 70
5.1.4 小 結(jié)…………………………………………………………………… 73
5.2 部分作動(dòng)器故障情況下高超聲速飛行器自適應(yīng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)………… 73
5.2.1 系統(tǒng)描述………………………………………………………………… 74
5.2.2 高超聲速飛行器自適應(yīng)容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)………………………………… 82
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 85
第6章 基于迎角觀測(cè)器的高超聲速飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………… 86
6.1 高超聲速飛行器的系統(tǒng)輸出及迎角觀測(cè)器的選擇問題…………………… 86
6.1.1 高超聲速飛行器系統(tǒng)輸出的選擇問題………………………………… 86
6.1.2 基于類Lyapunov法的滑模觀測(cè)器…………………………………… 88
6.2 高超聲速飛行器三通道迎角觀測(cè)器及控制器設(shè)計(jì)………………………… 88
6.2.1 觀測(cè)器設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 88
6.2.2 控制器設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析……………………………………………… 91
6.2.3 仿真驗(yàn)證………………………………………………………………… 96
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 100
第7章 高超聲速飛行器復(fù)合控制研究…………………………………………… 101
7.1 發(fā)動(dòng)機(jī)推力和推力矩模型………………………………………………… 102
7.1.1 吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推力計(jì)算…………………………………………… 103
7.1.2 主火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力計(jì)算…………………………………………… 103
7.1.3 推力矩的計(jì)算………………………………………………………… 104
7.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真……………………………………………………… 105
7.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析………………………………………… 107
7.2.2 仿真驗(yàn)證……………………………………………………………… 108
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 111
第8章 多執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)………………………………………………………………… 113
8.2.1 虛擬控制律設(shè)計(jì)……………………………………………………… 113
8.2.2 控制分配律設(shè)計(jì)……………………………………………………… 114
8.2.3 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性……………………………………………………… 117
8.2.4 仿真驗(yàn)證……………………………………………………………… 119
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 120
第9章 高超聲速飛行器滑翔段制導(dǎo)方法研究…………………………………… 121
9.1 考慮航路點(diǎn)的再入?yún)⒖架壽E快速生成方法……………………………… 122
9.1.1 偽譜法求解優(yōu)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(yōu)化……………… 124
9.1.3 非線性規(guī)劃問題的求解……………………………………………… 127
9.1.4 仿真算例與分析……………………………………………………… 128
9.2 基于LQR的滑翔段制導(dǎo)方法…………………………………………… 131
9.2.1 運(yùn)動(dòng)方程線性化……………………………………………………… 131
9.2.2 反饋增益系數(shù)的確定………………………………………………… 133
9.2.3 仿真分析……………………………………………………………… 133
9.3 考慮禁飛區(qū)的高超聲速飛行器側(cè)向機(jī)動(dòng)制導(dǎo)…………………………… 134
9.3.1 側(cè)向機(jī)動(dòng)制導(dǎo)方案…………………………………………………… 135
9.3.2 側(cè)向制導(dǎo)邏輯………………………………………………………… 137
9.3.3 仿真分析……………………………………………………………… 138
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 140
第10章 高超聲速飛行器下壓段偽譜反饋制導(dǎo)方法研究……………………… 141
10.1 實(shí)時(shí)*優(yōu)偽譜反饋制導(dǎo)算法……………………………………………… 142
10.1.1 問題描述……………………………………………………………… 142
10.1.2 實(shí)時(shí)*優(yōu)偽譜反饋算法……………………………………………… 142
10.1.3 算法收斂性分析……………………………………………………… 144
10.1.4 穩(wěn)定性證明…………………………………………………………… 146
10.2 仿真算例…………………………………………………………………… 150
10.2.1 針對(duì)固定目標(biāo)仿真分析……………………………………………… 151
10.2.2 針對(duì)移動(dòng)目標(biāo)仿真分析……………………………………………… 152
本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 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(dòng)參數(shù)……………… 158
附錄C 基于擴(kuò)展的Luenberger方法的觀測(cè)器誤差動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性證明……… 164
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… 167