[发明专利]一种基于稳定性判据的直气复合控制方法

说明书

本发明针对传统直气复合控制系统侧喷发动机开启策略对先验数据的依赖性较强,导致鲁棒性较差的问题,提出一种基于稳定性判据的直气复合控制方法。该方法根据高超声速飞行器模型推导稳定性判据,按照该判据预测飞行器的稳定状态,当飞行器即将失稳时开启侧喷发动机,及时增加直接力矩,控制飞行器稳定。该方法不依赖先验数据,可满足飞行器高马赫数下的稳定飞行和高机动性要求。本发明具有较好的抗干扰能力,比传统控制策略鲁棒性更强。

技术领域

本发明涉及一种直气复合控制方法，特别是一种基于稳定性判据的直气复合控制方法。

背景技术

高超声速飞行器是指马赫数大于5的飞行器,是近年来世界航天强国的研究热点。由于高超声速飞行器飞行包线大,在稀薄大气层内,飞行器舵面气动效能急剧下降,难以提供足够的气动力矩保证扰动下的稳定飞行或期望的机动能力。直接力控制是一种不依赖大气环境,由侧喷发动机构成的反作用控制系统来实现操纵控制的系统,采用直接力与气动力相结合的复合控制方法已成为实现高超声速飞行器稳定飞行的关键技术。

近些年,国内外学者对复合控制的研究越来越多。有基于反演法设计复合控制器，提出利用能量优化逻辑实现侧喷发动机的多输入控制，并设计模糊小脑模型神经网络以抑制不确定性干扰。有研究全空域变质心/RCS复合控制策略，通过对变质心控制系统力矩配平和闭环响应快速性能的分析,实现从变质心到RCS控制的切换。有针对再入飞行器的直气复合控制系统提出鲁棒飞行控制器,利用线性规划和脉冲调宽调频方法实现控制分配。虽然上述方法在复合控制技术上取得了一定的进展,但是在结合稳定性分析的复合控制策略方面缺乏研究。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于稳定性判据的直气复合控制方法。

本发明将稳定性判定应用于复合控制器设计中，根据稳定性判定结果预测飞行器的稳定性，形成新的直接力开启策略，提高了传统复合控制的控制能力。其通过反馈控制算法使得高超声速飞行器稳定在设定值，通过稳定性判据来判断飞行器的稳定性，结合该判据来设计直接力开启策略的方法。当判断得出飞行器有失稳倾向时，加入直接力控制量，采用控制分配算法得到三轴方向的控制力矩作用于飞行器，从而提高飞行器的稳定性。

其中的稳定性判据设计为

δ_X、δ_Y、δ_Z为三轴方向的直接力开启状态，0表示不开启该轴向的直接力,1 表示开启该轴向的直接力。L_p,cop,M_q,cop,N_r,cop分别表示飞行器特征方程的特征根。

引入约束后设计为

δ_e、δ_a、δ_r分别为升降舵、副翼、方向舵的舵偏角。

所述的直接力控制量采用最小控制能量融合法计算得到，实现控制力矩到制导指令的映射，即

M_c＝D·δ_c

制导指令为

δ_c＝[δ_e,δ_a,δ_r,δ_x,δ_y,δ_z]^T

所述的控制分配算法可以描述为如下所示的优化问题

可得到