一种多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法技术

本发明专利技术公开了一种多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法，包括如下步骤：针对空天飞行器不同速域爬升任务，构建宽域范围内复杂的动力学模型，采用模型敏感度分析和参数辨识方法，得到空天飞行器面向控制的设计模型；将空天飞行器爬升段进行区域划分，设计飞行器不同爬升区域的控制律，采用保护映射理论构建控制参数的自适应整定算法，解算不确定条件下闭环稳定边界；确定模型参数与闭环性能可达边界的精准映射关系，增强空天飞行器爬升段的控制性能，采用数值仿真验证空天飞行器控制性能增强设计结果的有效性。本发明专利技术通过设计

【技术实现步骤摘要】
一种多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法


[0001]本专利技术涉及空天飞行器设计
，尤其是一种多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法。

技术介绍

[0002]空天飞行器爬升段需跨越不同的速度区域，是否拥有优良的飞行性能直接决定后续任务是否能够顺利完成，爬升段速域跨度大，经历涡轮模态、亚燃模态、超燃模态等不同飞行阶段，大空域宽速域导致空天飞行器模型特性复杂易变。不仅如此，空天飞行器由于其自身固有的特点和复杂的受力情况，使得系统之间存在多场耦合关系，其模型呈现强非线性快时变的显著特征。除此之外，与亚声速/超声速飞行器相比，空天飞行器运行环境更为复杂，难以精确描述其动力学特性，加之各种随机干扰使得模型具有大的不确定性。更为重要的是，空天飞行器受到结构承载、推进效率的限制，需要对飞行状态尤其是攻角、侧滑角等进行严格约束，同时还应满足舵面饱和、热壅塞等多重约束条件。
[0003]相较于常规飞行器，空天飞行器爬升段闭环性能要求更高，不仅需要跨域飞行完成既定任务，还需要综合考虑推进模态间的切换，确保空天飞行器爬升过程的鲁棒稳定性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、针对空天飞行器不同速域爬升任务，构建宽域范围内复杂的动力学模型，采用模型敏感度分析和参数辨识方法，得到空天飞行器面向控制的设计模型；步骤2、将空天飞行器爬升段进行区域划分，设计飞行器不同爬升区域的控制律，采用保护映射理论构建控制参数的自适应整定算法，解算不确定条件下闭环稳定边界；步骤3、确定模型参数与闭环性能可达边界的精准映射关系，通过综合优化设计，增强空天飞行器爬升段的控制性能，采用数值仿真验证空天飞行器控制性能增强设计结果的有效性。2.如权利要求1所述的多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法，其特征在于，步骤1中，针对空天飞行器不同速域爬升任务，构建宽域范围内复杂的动力学模型，采用模型敏感度分析和参数辨识方法，得到空天飞行器面向控制的设计模型具体包括如下步骤：步骤11、针对类桑格尔空天飞行器构型，采用机身/推进一体化设计方式，发动机为涡轮基冲压推进系统，安装于机身中后部，并且将与进气道和尾喷管相连接的机身部分分别作为前体气流压缩面和后体膨胀段；根据爬升任务需求，给出飞行爬升过程中的动压、过载和热流多约束条件，采用工程估算方法计算面元上的气动力F
i
和气动力矩M
i
F
i
＝
‑
(C
pi
Q
∞
+p
∞
)ΔS
i
n
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)M
i
＝
‑
(C
pi
Q
∞
+p
∞
)ΔS
i
n
i
×
r
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，C
pi
为面元的压力系数，ΔS
i
和n
i
表示各面元的面积和法向量，r
i
是第i个面元相对于质心的位移，p
∞
和Q
∞
分别为自由流静压和动压，对所有施加在面元上的气动力和力矩进行求和，从而获得作用在飞行器上的总气动力/力矩系数，构建飞行器的算力数据库；确定飞行器爬升过程的升力L，阻力D和俯仰力矩M同飞行条件、爬升姿态以及控制输入之间的函数关系为f
L
,f
D
,f
m
，表示为其中，α,V,h,δ
e
,φ分别表示飞行器的迎角、速度、高度、舵面偏角以及推进系数；步骤12、结合拉格朗日方程其中：ξ
i
为广义坐标，F
N,i
为对应于广义坐标ξ
i
的广义力，为拉格朗日函数其中：ET为总动能，EV为总势能；根据虚功原理，广义力为
其中：δW
vir
为虚功，构建空天飞行器爬升段的数学模型为虚功，构建空天飞行器爬升段的数学模型式中，ω为飞行器的角速度，m和J分别表示质量和转动惯量矩阵；步骤13、采用灵敏度分析方法，分别以升力系数、阻力系数和气动俯仰力矩系数为性能指标，分析各因子的影响程度，提炼与空天飞行器爬升过程相关的主要影响参数，包括飞行迎角、舵面偏角以及它们的乘积，将飞行器复杂的气动力、力矩和推力表达式表示成关于飞行条件、状态量和控制量的多项式函数，得到代理模型，升力系数C
L
和阻力系数C
D
表示为表示为其中为升力相关的模型系数，为阻力相关的模型系数；步骤14、采用间隙度量原理评估不同爬升速域范围内模型动态特性之间的相似性，两个模型之间的间隔δ的取值范围为[0,1]，δ的值越接近于0，则说明两个模型之间的差异越小；δ的值越接近于1，则两个模型之间的差异越大，依据相似性准则整合不同区域的模型，获得空天飞行器面向控制的模型其中，x为状态变量；y为输出变量；u为输入变量；状态矩阵A,B以及输入矩阵C,D会随着高度h与马赫数Ma而发生变化。3.如权利要求1所述的多约束条件下的空天飞行器控制性能增强设计方法，其特征在于，步骤2中，将空天飞行器爬升段进行区域划分，设计飞行器不同爬升区域的控制律，采用保护映射理论构建控制参数的自适应整定算法，解算不确定条件下闭环稳定边界具体...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕斌，吉晓亮，陈柏屹，廖腾，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：