馬利民（中國(guó)人民解放軍駐錦州地區(qū)軍事代表室，121000）

?

高超聲速飛行器遞階滑模控制研究

馬利民
（中國(guó)人民解放軍駐錦州地區(qū)軍事代表室，121000）

摘要：針對(duì)高超聲速飛行器軌跡高度和速度跟蹤控制問題，基于縱向動(dòng)力學(xué)的輸入/輸出線性化模型，設(shè)計(jì)了遞階滑?？刂破骱头蔷€性擾動(dòng)觀測(cè)器，用于解決系統(tǒng)存在不確定性問題和執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶有死區(qū)非線性問題，對(duì)于所設(shè)計(jì)的控制器和觀測(cè)器進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并且通過仿真驗(yàn)證了本文提出的方法能夠提高系統(tǒng)的收斂速度和收斂精度并能克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)的影響。關(guān)鍵詞：高超聲速飛行器；非線性；遞階滑模；擾動(dòng)觀測(cè)器

高超聲速飛行器一般是指飛行馬赫數(shù)大于或等于5，以吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)為動(dòng)力的飛行器，由于具有重要的軍事意義，它已成為世界航空航天領(lǐng)域極其重要的發(fā)展方向。文獻(xiàn)[2]基于高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)理論研究了高超聲速飛行器縱向動(dòng)力學(xué)特性，為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。本文基于輸入/輸出線性化模型，針對(duì)高超聲速飛行器軌跡速度和高度跟蹤控制問題，具體為系統(tǒng)存在不確定性問題和執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶有死區(qū)非線性問題，采用遞階滑?？刂品椒ê头蔷€性擾動(dòng)觀測(cè)器來解決以上問題，大大提高了系統(tǒng)的收斂速度和收斂精度并能克服執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)的影響，保證控制系統(tǒng)的快速性和魯棒性。

1　高超聲速飛行器建模

考慮高超聲速飛行器縱向運(yùn)動(dòng)，飛行器的控制輸入為發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流閥開度，升降舵偏角。選定飛行的狀態(tài)變量分別為：飛行速度，航跡角，迎角，俯仰角速度以及飛行高度。高聲速飛行器縱向動(dòng)力學(xué)模型的非線性方程組可以按照其受力情況在速度坐標(biāo)系上描述為：

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)模型為如下二階系統(tǒng)：

2　縱向模型的輸入輸出線性化

對(duì)飛行速度和高度采用全狀態(tài)反饋進(jìn)行輸入輸出精確線性化處理，即對(duì)飛行速度，飛行高度分別進(jìn)行微分，直至控制輸入發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流閥或者升降舵偏角出現(xiàn)在微分式子中，要求最終的微分結(jié)果，控制輸入中節(jié)流閥或者升降舵偏角的因子至少有一個(gè)不為零。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)輸出飛行速度和飛行高度分別微分3次和4次時(shí)，能夠滿足以上要求，系統(tǒng)可被完全輸入輸出線性化為如下形式：

3　縱向模型的跟蹤控制

3.1遞階滑?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)

終端遞階滑?？梢岳眠f歸的滑模結(jié)構(gòu)處理任意相對(duì)階次的系統(tǒng)，其基本思想是根據(jù)系統(tǒng)的相對(duì)階次設(shè)計(jì)多層滑模面，在最后一層滑模面設(shè)計(jì)控制器，確保系統(tǒng)軌跡進(jìn)入該層滑模面后，其他滑模面以遞歸結(jié)構(gòu)逐層收斂，直到實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，由于每一層滑模面運(yùn)動(dòng)特性完全已知，因此控制結(jié)構(gòu)更加清晰，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程更加明了。

3.2非線性擾動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)在假設(shè)2成立條件下設(shè)計(jì)如下擾動(dòng)觀測(cè)器：

4　結(jié)論

本文對(duì)高超聲速飛行器軌跡速度和高度跟蹤控制問題進(jìn)行研究，首先將系統(tǒng)縱向非線性模型輸入輸出線性化處理，通過設(shè)計(jì)遞階滑?？刂破骱驮O(shè)計(jì)非線性擾動(dòng)觀測(cè)器，來解決系統(tǒng)存在不確定性問題和執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶有死區(qū)非線性問題，通過對(duì)綜合控制器的穩(wěn)定性分析，得出速度和高度可分別在有限時(shí)間內(nèi)跟蹤期望值，最后對(duì)比仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的遞階滑模控制器和非線性擾動(dòng)觀測(cè)器能夠使得系統(tǒng)在含有不確定項(xiàng)，有死區(qū)非線性的情況下，速度和高度能夠在有限時(shí)間內(nèi)跟蹤期望值，并且具有跟蹤速度快，魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]周濤，侯明善，王冬.高超聲速飛行器軌跡跟蹤的反步滑?？刂芠J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2014，22（7）：2063-2066.

[2]張棟，唐碩，李世珍.高超聲速飛行器一體化縱向氣動(dòng)特性分析[J].飛行力學(xué)，2012,30（4）：328-331.

[3]耿潔，劉向東，王亮.高超聲速飛行器的動(dòng)態(tài)滑模飛行控制器設(shè)計(jì)[J].兵工學(xué)報(bào)，2012，33（3）：307-312.

Research on Hypersonic Flight Vehicle Hierarchical Sliding Mode Control

Ma Limin
(Military Representative Office of the people's Liberation Army in Jinzhou,121000)

Abstract：For hypersonic vehicle trajectory tracking control altitude and speed, based on the input / output linear model of longitudinal dynamics designed hierarchical sliding mode controller and nonlinear disturbance observer,there is uncertainty for problem-solving system and execute dead bodies with nonlinear problems,for the design of the controller and the observer stability analysis，And the simulation results show that the proposed method can improve the convergence rate and convergence precision of the system and can overcome the influence of the dead zone.

Keywords：Hypersonic aircraft;Nonlinear;Hierarchical sliding mode;Disturbance observer