高超声速飞行器机动飞行受限控制方法研究

２０１６年１２月

第３４卷第６期

西北工业大学学报

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｄｅｃ．Ｖｏｌ．３４２０１６

Ｎｏ．６

收稿日期：２０１６?０９?０６

基金项目：国家自然科学基金（９１２１６１０４）资助

作者简介：杜昊昱（１９８８ ），西北工业大学博士研究生，主要从事飞行器控制研究三

高超声速飞行器机动飞行受限控制方法研究

杜昊昱，凡永华，闫杰

（西北工业大学航天学院，陕西西安一７１００７２）

摘一要：吸气式高超声速飞行器飞行过程中舵偏不能过大，攻角二角速率等飞行状态必须满足约束，这既是超燃冲压发动机工作条件的要求，也是为了减小飞行器状态散布三针对吸气式高超声速飞行器进行高度控制时，飞行器状态和舵偏必须满足约束的实际问题，引入指令调节器进行高度回路设计三基于ＰＩ＋ＬＱ方法设计过载控制器，利用高度回路的比例－微分产生过载信号，过载信号经过指令调节器生成调节指令，过载控制器跟踪该指令完成高度跟踪三仿真结果表明，该方法设计的控制系统在阵风干扰情况下能够满足状态约束并实现快速跟踪三

关一键一词：指令调节器；状态约束；受限控制；模型预测控制；最优控制

中图分类号：Ｖ２４９．１２２一一一文献标志码：Ａ一一一文章编号：１０００?２７５８（２０１６）０６?０９４５?０６一一吸气式高超声速飞行器是指以超燃冲压发动机为动力，在大气层内实现飞行速度大于５倍音速的飞行器三超燃冲压发动机性能同马赫二高度二飞行姿态密切相关，且发动机余量较小，对飞行控制造成了硬性约束三该飞行器控制系统的任务是控制飞行器飞行状态，使其满足超燃冲压发动机的工作条件，同时快速跟踪指令信号三长航时高超声速飞行器飞行轨迹大致可分为助推爬升段二转弯调整段二巡航飞行段以及下滑飞行段［１］，其中助推爬升段和转弯调整段可按照基准弹道进行轨迹控制，而巡航飞行段纵向采用高度控制三巡航飞行段飞行器可以实现一定程度的机动，但如果要求飞行器快速机动，如依阶跃高度指令迅速爬升时，则可能导致飞行器状态超出约束，或舵偏饱和，使得控制性能变差，甚至造成发动机无法工作三因此，高超声速飞行器快速机动时，如何协调飞行状态及舵偏的约束与实现快速指令跟踪是一个急需解决的问题三

针对上述问题，国内外的专家学者在高超声速飞行器控制系统设计方面做出了大量研究：文献［２］中，Ｍｉｃｈａｅｌ等人利用参考调节器解决了高超声速飞行器燃油当量比及舵偏受约束情况下的高度及速度跟踪问题三ＡｎｄｒｅａＳｅｒｒａｎｉ等人在文献［３］中提出自适应制导控制方法防止了高超声速飞行器制导

过程中舵偏饱和三Ｚｉｎｎｅｃｋｅｒ等人在文献［４］中针对高超声速飞行器滑翔器设计了一个指令调节器配合自适应控制器跟踪参考信号，避免了执行机构饱和且防止了阵风饱和三但都没有考虑受发动机工作条件限制所必需满足的飞行状态（如攻角二俯仰角速率）约束三

ＰｅｔｅｒｓｅｎＣｈｒｉｓｔｏｐｅｒ等人在文献［５］中，利用了

拓展指令调节器结合预测制导设计了高超声速飞行器无动力滑翔段的制导控制问题，使得该飞行器能够避障的同时满足飞行状态约束，取得了良好的效果三但与滑翔段制导控制不同，中制导段因发动机工作使得飞行状态将受到更为严格的约束，同时，飞行器跟踪预先指定的极小的航迹角（文中取－１?）方案与飞行器在中制导段快速机动的要求不符三文献［６］使用自适应控制方法完成了飞行器在飞行状态

及舵偏约束条件下的指令跟踪，但其高度指令不能显式表达，且不能实现快速机动三

针对长航时吸气式高超声速飞行器必须对飞行状态和舵偏进行约束，同时实现快速机动的控制问题，上述文献或未能充分考虑飞行状态约束，或不能实现快速机动，为此有必要引入新的控制方案三本文提出ＬＱ过载控制器和ＣＧ指令调节器相结合的方法进行设计，考虑飞行状态和舵偏约束，同时满足

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