[发明专利]一种高超声速飞行器再入末段姿态控制方法及系统

权利要求书

1.一种高超声速飞行器再入末段姿态控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)选取姿态跟踪误差作为被控输出，建立三通道姿态误差特征模型；具体为：采用泰勒展开的离散化方法，建立攻角通道、侧滑角和滚转角通道的姿态特征模型为：

其中，k用来描述当前的离散时刻，具体为当前连续时刻与采样周期的比值，e_α，e_β，e_γ分别为攻角跟踪误差、侧滑角跟踪误差和滚转角跟踪误差，δ_e(k)，δ_r(k)，δ_a(k)分别为升降舵偏角、方向舵偏角和副翼偏角，特征参量f_0i，f_1i，g_0i表达式如下

常数N_i＞0，T为采样周期，N_α＞0，α，β，γ分别为攻角、侧滑角和倾侧角，Δ_α，Δ_β，Δ_γ分别为三通道的未建模动态及干扰项；

c₂，c₄，c₆为转动惯量相关参数，Q为动压，V为速度，S为参考面积，l为参考长度，C_mq，C_lp，C_nr，C_lδr，C_nδr，C_lp，C_nr，C_lδa，C_nδa

为气动参数；

(2)针对所述三通道姿态误差特征模型，建立基于动压的参数估计模型，设计特征模型参数自适应更新律；

建立基于动压的参数估计模型具体为：

(2.1)对特征参量g_0α(k)，g_0β(k)，g_0γ(k)进行结构分解：

其中，

(2.2)建立基于动压的参数估计模型：

其中，分别是k时刻对d_α，d_β，d_γ的估计；

设计特征模型参数自适应更新律，具体为：

其中，ρ_α，ρ_β，ρ_γ为可调参数，向量为k时刻θ_α(k)＝[f_0α(k)f_1α(k) d_αT²]^T的估计，向量为k时刻θ_β(k)＝[f_0β(k) f_1β(k) d_βT²]^T的估计，向量为k时刻θ_γ(k)＝[f_0γ(k) f_1γ(k) d_γT²]^T的估计，P为投影算子，将输入投影至特征参量预估范围内，φ_β(k)＝[e_β(k) e_β(k-1) Q(k)δ_r(k)]^T，φ_γ(k)＝[e_γ(k) e_γ(k-1) Q(k)δ_a(k)]^T，

(3)基于所述三通道姿态误差特征模型以及所述特征模型参数自适应更新律，设计自适应输出反馈控制结构，确定控制器参数；

自适应输出反馈控制结构表达式如下：

其中，K_α()= [d_α1(k) d_α2(k) c_α1(k)]^T是依赖于的函数向量，d_α1(k)，d_α2(k)，c_α1(k)为向量元素；是依赖于的函数向量，d_β1(k)，d_β2(k)，c_β1(k)为向量元素；是依赖于的函数向量，d_γ1(k)，d_γ2(k)，c_γ1(k)为向量元素；

确定控制器参数，具体为：

(3.1)将自适应输出反馈控制结构表达式代入三通道姿态误差特征模型得到闭环系统方程为：

其中，

(3.2)根据期望的系统特征值选取Hurwitz多项式

其中

| λ_i1|1，|λ_i2|1，|λ_i3|1，i∈{α ，β，γ } 为期望的系统特征值；

(3.3)令则获得控制器参数表达式如下

(4)根据所述反馈控制结构以及控制器参数，实现高超声速飞行器再入末段的姿态控制。

2.一种基于权利要求1所述高超声速飞行器再入末段姿态控制方法实现的姿态控制系统，其特征在于包括：

三通道姿态误差特征模型建立模块：选取姿态跟踪误差作为被控输出，建立三通道姿态误差特征模型；

更新律确定模块：针对所述三通道姿态误差特征模型，建立基于动压的参数估计模型，设计特征模型参数自适应更新律；

反馈控制结构及参数设计模块：基于所述三通道姿态误差特征模型以及所述特征模型参数自适应更新律，设计自适应输出反馈控制结构，确定控制器参数；

姿控模块：根据所述反馈控制结构以及控制器参数，实现高超声速飞行器再入末段的姿态控制；

三通道姿态误差特征模型的建立，具体为：采用泰勒展开的离散化方法，建立攻角通道、侧滑角和滚转角通道的姿态特征模型为：

其中，k用来描述当前的离散时刻，具体为当前连续时刻与采样周期的比值，e_α，e_β，e_γ分别为攻角跟踪误差、侧滑角跟踪误差和滚转角跟踪误差，δ_e(k)，δ_r(k)，δ_a(k)分别为升降舵偏角、方向舵偏角和副翼偏角，特征参量f_0i，f_1i，g_0i表达式如下

常数N_i＞0，T为采样周期，N_α＞0，α，β，γ分别为攻角、侧滑角和倾侧角，Δ_α，Δ_β，Δ_γ分别为三通道的未建模动态及干扰项；

c₂，c₄，c₆为转动惯量相关参数，Q为动压，V为速度，S为参考面积，l为参考长度，C_mq，C_lp，C_nr，C_lp，C_nr，为气动参数；

建立基于动压的参数估计模型具体为：

(2.1)对特征参量g_0α(k)，g_0β(k)，g_0γ(k)进行结构分解：

其中，

(2.2)建立基于动压的参数估计模型：

其中，分别是k时刻对d_α，d_β，d_γ的估计；

设计特征模型参数自适应更新律，具体为：

其中，ρ_α，ρ_β，ρ_γ为可调参数，向量为k时刻θ_α(k)＝[f_0α(k)f_1α(k) d_αT²]^T的估计，向量为k时刻θ_β(k)＝[f_0β(k) f_1β(k) d_βT²]^T的估计，向量为k时刻θ_γ(k)＝[f_0γ(k) f_1γ(k) d_γT²]^T的估计，P为投影算子，将输入投影至特征参量预估范围内，φ_β(k)＝[e_β(k) e_β(k-1) Q(k)δ_r(k)]^T，φ_γ(k)＝[e_γ(k) e_γ(k-1) Q(k)δ_a(k)]^T，

确定控制器参数，具体为：

(3.1)将自适应输出反馈控制结构表达式代入三通道姿态误差特征模型得到闭环系统方程为：

其中，

(3.2)根据期望的系统特征值选取Hurwitz多项式

其中

| λ_i1|1，|λ_i2|1，|λ_i3|1，i∈{α ，β，γ }

为期望的系统特征值；

(3.3)令则获得控制器参数表达式如下

基于等价性原理，自适应输出反馈控制结构表达式如下：

其中，K_α()= [d_α1(k) d_α2(k) c_α1(k)]^T是依赖于的函数向量，d_α1(k)，d_α2(k)，c_α1(k)为向量元素；是依赖于的函数向量，d_β1(k)，d_β2(k)，c_β1(k)为向量元素；是依赖于的函数向量，d_γ1(k)，d_γ2(k)，c_γ1(k)为向量元素。