基于回饋遞推方法的近空間飛行器魯棒自適應(yīng)控制

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1、南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文摘要近空間飛行器(NearspaceVehiclesNSVs)是各國(guó)正在大力發(fā)展的新型航空航天飛行器，具有極其重要的軍事價(jià)值。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，本文在近空間飛行器建模與分析、受擾動(dòng)非線性系統(tǒng)控制兩個(gè)方面開展了較為深入的研究，主要研究成果如下：1、根據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室已有的研究成果及國(guó)內(nèi)外公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料建立起NSV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

2、程，其中氣動(dòng)力系數(shù)和力矩系數(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)模型為吸氣式超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。然后對(duì)其開環(huán)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明整個(gè)模型能夠體現(xiàn)出NSV復(fù)雜的非線性以及快速時(shí)變性等特點(diǎn)，具有一定的代表性，可以滿足未來(lái)NSV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。2、研究了NSV縱向控制，首先利用輸入-輸出反饋線性化方法將NSV縱向運(yùn)動(dòng)模型轉(zhuǎn)化為仿射非線性模型，并根據(jù)飛行器的狀態(tài)變量特性，進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格反饋多輸入多輸出(Multi-Input/Multi-OutputMIMO)非線性模型，并基于

3、回饋遞推方法設(shè)計(jì)了高超聲速飛行的縱向控制系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行的縱向運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明了方法的有效性。針對(duì)NSV高超聲速飛行時(shí)，氣動(dòng)參數(shù)變化劇烈且容易受到外界干擾的特點(diǎn)，提出了基于全調(diào)節(jié)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FullyTunedRadialBasisFunctionNeuralNetworkFTRBFNN)的積分回饋遞推方法，并基于Lyapunov定理給出穩(wěn)定性的嚴(yán)格證明。FTRBFNN抗干擾能力強(qiáng)，而且控制律中增加的誤差積分項(xiàng)可以有效消除系統(tǒng)的跟蹤靜差，因而控制精度高。最后對(duì)NSV進(jìn)行的縱向運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，在干擾變化較大的情況

4、下，控制系統(tǒng)仍具有較好的魯棒性。3、提出了基于動(dòng)態(tài)面控制的變?cè)鲆孀赃m應(yīng)回饋遞推控制方法。首先利用動(dòng)態(tài)面控制簡(jiǎn)化回饋遞推控制器設(shè)計(jì)，然后在參數(shù)自適應(yīng)律中引入S函數(shù)對(duì)徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RadialBasisFunctionNeuralNetworkRBFNN)的學(xué)習(xí)率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，消除系統(tǒng)在自適應(yīng)初始階段的抖振現(xiàn)象?；贚yapunov定理證明了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，跟蹤誤差指數(shù)收斂到任意小的有界緊集內(nèi)。對(duì)NSV的縱向運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，該方法在降低控制律復(fù)雜性的同時(shí)，仍具有良好的過(guò)渡過(guò)程動(dòng)態(tài)特性。4、提出了基于模糊系統(tǒng)的快速自適

5、應(yīng)回饋遞推方法。利用模糊系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)的復(fù)合干擾進(jìn)行在線辨識(shí)，利用回饋遞推方法進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該方法在線調(diào)整自適應(yīng)參數(shù)僅為子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)，減輕了系統(tǒng)的在線計(jì)算負(fù)擔(dān)?；贚yapunov定理和小增益定理證明了閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)的跟蹤誤差指數(shù)收斂到任意小的有界緊集內(nèi)。對(duì)NSV進(jìn)行的高超聲速條件下6自由度協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)I基于回饋遞推方法的近空間飛行器魯棒自適應(yīng)控制彎仿真結(jié)果表明該方法在簡(jiǎn)化的自適應(yīng)律和控制律下仍具有良好的跟蹤性能。5、結(jié)合干擾觀測(cè)器技術(shù)，提出了基于模糊干擾觀測(cè)器的自適應(yīng)回饋遞推方法。該方法充分利用被控系統(tǒng)的有用信息

6、，參數(shù)自適應(yīng)律根據(jù)系統(tǒng)的跟蹤誤差和觀測(cè)器誤差進(jìn)行在線調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)NSV不確定更為有效的逼近，獲得了更好的魯棒性。設(shè)計(jì)了一種模糊神經(jīng)干擾觀測(cè)器(FuzzyNeuralNetworkDisturbanceObserverFNNDO)，提出了基于FNNDO的自適應(yīng)回饋遞推方法。由于FNNDO可以在線調(diào)整模糊規(guī)則，因而對(duì)未知非線性不確定的辨識(shí)精度更高，從而可以達(dá)到更高的跟蹤精度。最后用該方法設(shè)計(jì)了NSV姿態(tài)控制系統(tǒng)，并在高超聲速的條件下進(jìn)行了6自由度姿態(tài)控制仿真，結(jié)果表明了方法的有效性。關(guān)鍵詞：飛行控制，回饋遞推方法

7、，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模糊系統(tǒng)，自適應(yīng)控制，魯棒控制，近空間飛行器，高超聲速II南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文AbstractThecurrentresearchindevelopingnextgenerationflyingvehiclesisfocusedonnearspacevehicles(NSVs)whichhaveveryimportantmartialvalues.ThecontrolsystemsoftheASVsposeseveralchallengesduetotheirmulti-missionprofi

8、les,largeattitudemaneuversandcomplicatedflightconditions.Inthisdissertation,tworelativeproblems,i.e.modelingandperturbeduncertainnonlinearcontrolsystemdesign,arestudied.Themainresu