具有輸入飽和的近空間飛行器魯棒控制.pdf

1、近空間飛行器(near space vehicle,NSV)具有速度快(5馬赫以上)、覆蓋范圍廣(20km-100km)、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為許多國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的飛行器之一。NSV在多變的工作模式和環(huán)境中，往往會(huì)受到外部干擾及系統(tǒng)不確定的影響。此外，在NSV實(shí)際飛行中，舵面偏轉(zhuǎn)角度、偏轉(zhuǎn)速度和發(fā)動(dòng)機(jī)推力等都會(huì)限制在一定范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的控制方法在設(shè)計(jì)過程中往往不會(huì)考慮執(zhí)行器受限的問題。一旦NSV各舵面執(zhí)行器達(dá)到限制邊界，會(huì)影響甚至破壞控制系統(tǒng)

2、的穩(wěn)定性。因此，本文針對(duì)上述問題，研究不確定NSV的魯棒受限控制方法。論文主要成果如下：
　　首先，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，給出了NSV的非線性動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)姿態(tài)系統(tǒng)方程進(jìn)行線性化，然后對(duì)執(zhí)行器的典型受限非線性特性進(jìn)行分析，將其與姿態(tài)模型相結(jié)合，得到完整的NSV姿態(tài)受限模型。針對(duì)姿態(tài)線性模型，設(shè)計(jì)了一種基于干擾觀測(cè)器的復(fù)合非線性反饋(composite nonlinear feedback,CNF)控制方法。該方法將CNF控制技

3、術(shù)與干擾觀測(cè)器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，并提高了系統(tǒng)的魯棒性。為了克服CNF方法的局限性，設(shè)計(jì)了一種基于干擾觀測(cè)器的抗飽和魯棒(anti-windup)控制方法。由于系統(tǒng)故障更容易導(dǎo)致輸入飽和的產(chǎn)生，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種基于故障觀測(cè)器的抗飽和魯棒容錯(cuò)控制方法，保證同時(shí)存在故障、輸入飽和與外部干擾的不確定NSV穩(wěn)定飛行控制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了在所設(shè)計(jì)的控制器作用下，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒控制性能。
　　其次，針對(duì)NSV姿態(tài)非線性模型，研究了不確定N

4、SV魯棒非線性受限控制方法。在具有系統(tǒng)不確定、外部干擾與輸入飽和的情況下，設(shè)計(jì)了一種基于非線性干擾觀測(cè)器和輔助系統(tǒng)的不確定NSV姿態(tài)魯棒受限控制方法。該方法通過構(gòu)造輔助系統(tǒng)以消除或減小輸入飽和對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)控制性能的影響，并利用干擾觀測(cè)器對(duì)外部干擾進(jìn)行估計(jì)，借助backstepping方法進(jìn)行魯棒受限控制器設(shè)計(jì)。另外，考慮執(zhí)行器故障問題，設(shè)計(jì)了魯棒容錯(cuò)受限控制器。通過仿真分析，驗(yàn)證了所研究的控制算法能夠使NSV系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能。

5、>　　再次，針對(duì)NSV現(xiàn)有跟蹤控制中只考慮穩(wěn)態(tài)性能的問題，綜合考慮閉環(huán)系統(tǒng)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求，引入預(yù)設(shè)性能方法，并結(jié)合輔助系統(tǒng)，將受約束的跟蹤誤差信號(hào)轉(zhuǎn)化為不受約束的信號(hào)，進(jìn)一步利用backstepping技術(shù)設(shè)計(jì)魯棒受限預(yù)設(shè)性能控制器，實(shí)現(xiàn)存在輸入飽和、死區(qū)和不確定情況下滿足預(yù)設(shè)性能的NSV跟蹤控制。仿真結(jié)果表明，研究的跟蹤控制器能夠保證閉環(huán)系統(tǒng)滿足給定的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求。
　　接著，針對(duì)NSV輸入輸出受限控制問題，研究了一種