[发明专利]基于协调因子的高超声速飞行器姿态运动协调控制方法

说明书

本发明公开了一种基于协调因子分析方法的高超声速飞行器姿态运动鲁棒协调控制方法，属于飞行器姿态控制领域。本方法首先针对飞行器姿态运动的强耦合问题，将姿态模型的耦合分解成角运动耦合、惯性耦合与舵面操纵耦合三种形式。其次，对以上三种耦合形式分别设计了三种协调因子。然后将姿态系统分为快回路与慢回路，并分别设计两个回路的鲁棒自适应控制器。最后将协调因子与鲁棒控制器结合起来推导协调力矩，将协调力矩分配到舵面，通过舵面偏转实现协调。本方法有效的提高了舵面的控制效率，尤其是舵面偏转次数减少，节约了能量。

技术领域

本发明公开了一种基于协调因子的高超声速飞行器姿态运动协调控制方法，属于航天器姿态控制技术领域。

背景技术

高超声速飞行器具有重要的军事战略意义，是21世纪天空作战的杀手锏武器。目前，高超声速飞行器的研究受到了世界各国的普遍重视。然而，由于快速和大跨度的飞行也给飞行器的控制带来了巨大的挑战。高超声速由于强耦合和强非线性的特点，目前成为研究的热点。

近年来，在高超声速飞行器姿态运动控制方面取得了众多有价值的科研成果，针对飞行器姿态运动的强耦合问题，不少学者开展了相应的工作。有学者基于反馈线性化，采用神经网络自适应技术，提出了在线实时自适应姿态控制器。然而反馈线性化依靠系统模型的精确度，因此当模型不确定的时候难以保证控制精度。也有学者提出了最优动态逆控制的方法，并且应用到姿态控制中，然而对于系统存在外部干扰的时候，此方法难以保证良好的控制。随后，很多学者提出了非线性控制方法。其中包括将滑模方法用于飞行器控制，设计了基于单环和内环两种滑模控制器，研究表明滑模方法对参数不确定以及外界扰动具有较好的鲁棒性，但难以处理强耦合问题。随后，有一些学者采用分层控制思想，基于非线性方法处理高超声速姿态运动的强耦合问题，也有一些学者采用解耦的方法处理强耦合问题，其中包括采用奇异值摄动理论设计了内外环解耦控制器。上述方法虽然在一定成度上实现了姿态运动的协调，并为后续工作奠定了基础，但由于高超声速飞行器非线性动态的复杂性，这些成果为明确给出协调机制以主动环节、抑制、或利用耦合效应。高超声速飞行器姿态运动的强耦合主要问题体现在变量之间的相互影响，有一些耦合影响有利于飞行器的控制，有一些耦合的积累对飞行器的控制是致命的，长时间的耦合积累会导致飞行器姿态的失稳。基于以上分析，针对高超声速飞行器姿态运动的强耦合问题，有必要研究一种新的控制方法来处理此问题。

发明内容

为了克服现有的协调控制方法的不足，本发明提出了一种基于协调因子的高超声速飞行器姿态运动协调控制方法。首先，基于姿态系统的数学模型，将姿态运动间的耦合分解成角运动耦合、惯性耦合与舵面操纵耦合。然后对以上耦合形式分别设计协调因子，并将协调因子与设计的鲁棒控制器结合起来推导协调力矩，通过力矩分配成舵面偏转指令来实现协调。最后，通过仿真验证其有效性，证明此方法具有较好的应用前景。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于协调因子的高超声速飞行器姿态运动协调控制方法，包括如下步骤：

步骤1)针对高超声速飞行器姿态模型进行耦合分析，将姿态运动间的强耦合问题分解成角运动耦合、惯性耦合、舵面操纵耦合三种形式；基于耦合三种形式，将对应的状态变量反馈到对应的舵面回路设计协调因子；

步骤2)基于时标分离原则，将姿态系统分解成慢回路和快回路；基于滑模方法和投影映射方法分别设计慢回路鲁棒控制器和快回路鲁棒控制器；

步骤3)将协调因子与鲁棒控制器结合起来推导协调力矩，利用舵面分配矩阵，将协调力矩分配成舵面指令，利用舵面的协调偏转实现姿态运动的协调。

所述步骤1)的具体过程如下步骤：

步骤1-1)，建立高超声速飞行器姿态系统数学模型；