[发明专利]高超声速飞行器Terminal滑模控制器设计方法

说明书

本发明涉及高超声速飞行器Terminal滑模控制器设计方法，Terminal滑模控制的优点是可以使在滑模面上的系统可以在有限时间内收敛。为了保持模型本身的非线性，并且给控制系统设计提供方便，文中采用输入输出线性化方法对模型进行了处理，之后，根据Terminal滑模控制设计的要求重新选择状态变量并设计了非线性滑模面。之后为设计的Terminal非线性滑模面设计了滑模控制律，保证了系统能够到达滑模面，并且证明了系统的稳定性。最后对所给出的控制律进行了仿真验证，结果表明所设计的滑模控制器能够实现对高超声速飞行器的有效控制。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器Terminal滑模控制器设计方法，属于航空控制器调节技术领域。

背景技术

高超声速飞行器因其飞行速度快、机动性强、有效载荷大等优点受到世界各国的重视，成为下一代飞行器研发的重点。但由于飞行器本身采用机身发动机一体化设计，导致飞行器发动机状态与飞行状态互相耦合；并且高超声速飞行器的飞行包线大，飞行情况复杂，其整体动力学模型存在严重的非线性，同时结构与参数的不确定性以及外部干扰也不可忽视，这使得经典的控制器设计方法难以设计出符合其强鲁棒性、快速响应性等性能要求的控制器。

针对高超声速飞行器的控制器设计问题，国内外展开了广泛的研究，目前采用的方法有H_∞最优控制、模型参考自适应、线性变参数、自适应滑模控制等，高超声速飞行器控制器的设计吸引了世界很多学者的目光。

滑模变结构控制因其本身对匹配不确定性以及外部干扰等的完全鲁棒性而受到欢迎。针对高超声速飞行器的纵向模型设计了自适应滑模控制器，证明了滑模控制的有效性，但采用的滑模面为传统的线性滑模面，其状态随时间指数收敛，收敛速度难以满足飞行器在高速飞行的条件下对响应快速性的要求。

发明内容

本方法将针对高超声速飞行器的指令跟踪问题进行研究，首先利用输入输出线性化的理论将飞行器动态模型进行线性化，采用Terminal滑模设计方法设计控制器，所设计滑模面为非线性的，使得系统的响应速度快，可以保证跟踪误差系统在有限时间内到达零点，从而保证了对指令信号的快速跟踪。选择线性的滑模面能够确保系统轨迹在达到滑动模态阶段以后，滑动模态的运动是渐进稳定的或者跟踪误差渐进的收敛到零，并且收敛速度是通过改变滑模面的参数矩阵来调节的，但是，线性滑模面的状态跟踪误差不能够在有限的时间内收敛到零。Terminal滑模的控制思想，通过将非线性项引入到滑模面的设计中，突破了以往线性滑模面的局限，使得系统的滑动模态变量能够在“有限的时间内”收敛至平衡点。最初Terminal滑动模态是从Terminal吸引子而来。Venkatar-man S.T.等首先分析了Terminal滑模的设计问题，并将其应用到机器人系统当中，随后Yu X.和man.Z.H.等针对SISO系统和MIMO系统，对Terminal滑模的控制问题进行了详尽的研究。Wu.Y.Q.等还利用递归的方法深入讨论了Terminal滑模控制中容易出现的奇异问题。在本文中，我们将借鉴Terminal滑模的思想设计控制器，以保证高超声速飞行器的状态跟踪误差可以在有限时间内收敛。首先介绍一下Terminal的基本思想。

一阶Terminal滑模中，一阶Terminal滑模定义如下：

其中x为一标量，β＞0,p,q(p＞q)，且p,q为正奇数。无论x为任何实数，x^p/q的解必须为实数。

系统在滑模面上的动态性能为

给定任一初始状态x(0)≠0，则系统将在有限时间内收敛到原点。求解方程(2)

可得系统从状态x(0)到原点经历的时间