基于ESO的高超声速飞行器非线性动态逆控制

２０１６年１０月

第３４卷第５期

西北工业大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｏｃｔ．Ｖｏｌ．３４２０１６

Ｎｏ．５

收稿日期：２０１６?０４?１２一一一一一一一一基金项目：国家自然科学基金（６１１７４２０４二６１１０１１９１二６１５０２３９１）二航天支撑基金（Ｎ２０１５ＫＣ０１２１）及航天飞行动力学技术重点实验室开放基金资助

作者简介：杨文骏（１９８７ ），西北工业大学博士研究生，主要从事飞行器导航二制导与控制的研究三

基于ＥＳＯ的高超声速飞行器非线性动态逆控制

杨文骏１，２，张科１，２，张明环１，２，王靖宇１，２

（１．航天飞行动力学技术重点实验室，陕西西安一７１００７２；２．西北工业大学航天学院，陕西西安一７１００７２）

摘一要：以高超声速飞行器（ＨＦＶ）纵向运动模型为研究对象，针对其巡航飞行中存在的参数不确定性和外界干扰问题，提出了一种基于扩张状态观测器（ＥＳＯ）的非线性动态逆（ＮＤＩ）控制方法三采用精确反馈线性化方法实现了ＨＦＶ速度与高度通道的解耦，并设计了动态逆控制器；在此基础上为系统的速度和高度通道设计了二阶ＥＳＯ，实现对等效扰动的精确估计，并在控制器中进行补偿，从而实现ＨＦＶ对高度和速度指令的精确跟踪，保证控制精度的同时大幅提升了系统的扰动抑制能力三仿真结果表明，相比于滑模控制，文中所设计方法具有更快的响应速度和更好的跟踪精度，体现出该方法的良好控制性能和较强的鲁棒性三

关一键一词：高超声速飞行器；非线性动态逆；扩张状态观测器；扰动抑制；鲁棒性

中图分类号：ＴＪ７６５．２一Ｖ４４８．２一一一文献标志码：Ａ一一一文章编号：１０００?２７５８（２０１６）０５?０８０５?０７一一人类自２０世纪６０年代就开始了对高超声速飞行器（ｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｆｌｉｇｈｔｖｅｈｉｃｌｅ，ＨＦＶ）的研究，近年来高超声速飞行器的发展目标主要是高超声速武器和高超声速飞机三和传统亚声速二超声速武器相比，ＨＦＶ因其飞行速度高而具有作战空间大二探测难度高二突防能力强和杀伤效果好等特点，但随之而来也使得ＨＦＶ具有强非线性二强耦合和模型不确定性等特性，这给ＨＦＶ的控制方法研究带来了极大的挑战［１?４］三

随着控制技术理论的不断发展，近年来，越来越多的先进控制技术，如增益调度二滑模控制二鲁棒控制二自适应控制二反步法等都应用到了ＨＦＶ的控制领域三文献［５］提出了一种高超声速飞行器的高阶滑模控制器设计方法，并详细分析了其稳定性及削弱抖振的方法三文献［６］针对ＨＦＶ未知动态和执行机构故障带来的问题，研究了基于神经网络的动态面控制方法，并采用了最小学习参数技术，使得在线更新计算量大大降低三文献［７］在具有参数不确定性二测量噪声和外界扰动的情况下，针对ＨＦＶ的纵向动态研究设计了一种基于滑模扰动观测器的递归终端滑模控制器三Ｗａｎｇ等［８］针对弹性吸气式高

超声速飞行器指令跟踪控制中存在的不确定性问题，提出了一种连续的有限时间收敛的高阶滑模控制器，并采用非线性扰动观测器对不确定性进行估计补偿三文献［９］针对一类吸气式高超声速飞行器的最小相位模型，设计了一种非线性鲁棒控制器，使得飞行器能够有效地跟踪参考指令三Ｓｈａｏ等［１０］针对高超声速再入飞行器的姿态控制问题，提出了一种结合基于扩张状态观测器的滑模控制和轨迹线性化控制的新型控制结构，能够达到良好的控制效果三Ｂｉａｌｙ等［１１］针对高超声速导弹具有终端约束的问题，提出了一种基于反演设计方法的自适应控制器三

注意到，上述研究工作虽然针对ＨＦＶ飞行过程中存在的不确定性和外界干扰等问题，进行了各类控制方法的研究，但都较为繁琐，不易于设计及工程实现三自韩京清教授提出自抗扰控制技术（ａｃｔｉｖｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ＡＤＲＣ）以来，尤其在工程应用上取得了巨大成果三而扩张状态观测器（ｅｘ?ｔｅｎｄｅｄｓｔａｔｅｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＥＳＯ）就是自抗扰控制技术的核心部分，它可将系统的不确定性二未建模动态和外部扰动等视为 总和扰动 ，并将其扩张成系统变量，然后设计状态观测器来实现对扰动的估计［１２］三

万方数据