结构弹性作用下的高超声速飞行器动力学建模与控制

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吸气式高超声速飞行器(AHSV)在空天运载方面航行时间短、发射成本低,在军事应用方面能够实现快速全球打击,其相关技术研究引起了国内外越来越广泛的关注。相比于传统飞行器,AHSV拥有气动-热-弹性-推进系统相互作用、飞行参数强时变以及自身不确定性等显著特征,这使得飞行器控制系统设计面临了新的挑战。弹性机体设计不仅加强了结构与推进系统间的耦合作用,接近执行机构带宽的弹性频率也增加了控制器设计的难度。所以本文关注结构弹性影响,首先采用参数化建模的方法建立了刚体飞行器纵向动力学模型。在此基础上考虑结构弹性,从机理分析的角度系统地给出了弹性体高超声速飞行器代理建模过程:首先进行弹性结构建模;然后在拉格朗日(Lagrange)方程及虚功原理的基础上推导得到弹性体纵向动力学方程;进一步通过飞行器所受的力、力矩进行刚体/弹性模态关联;最后基于莫里斯(Morris)灵敏度分析法提取面向控制的弹性飞行器代理模型。为了研究结构弹性对AHSV动力学特性的影响,对所建立的弹性体飞行器代理模型进行了以下分析:刚体飞行器模型与弹性体飞行器模型静态特性、动态特性以及开环系统性能指标的对比分析;结构刚度变化对弹性体模型静、动态特性以及开环系统性能指标的影响分析。最后设计H_∞控制器,对比仿真获得结构弹性对控制系统设计的影响,并且针对弹性AHSV速度和高度跟踪问题,提出了弹性模态反馈和自适应陷波滤波器的H_∞控制器设计方法,并进行了仿真验证。
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