文档介绍：研究生课程论文
(2009-2010学年第一学期)
高超声速飞行器的建模与控制器设计
研究生: 王任周晓涛黄雷
提交日期: 2010年3月2日研究生签名:
学号
200920113907
200920113945
200920113884
学院
自动化科学与工程学院
课程编号
S0811040
课程名称
线性系统理论与设计I
学位类别
硕士
任课教师
苏为洲教授
教师评语:
成绩评定: 分任课教师签名: 年月日
高超声速飞行器的建模与控制器设计
王任周晓涛黄雷
摘要:本文以通用高超声速飞行器纵向模型为研究对象,并针对线性化模型,分别采用极点配置、LQR以及三种方法设计控制器以改善系统的性能。通过比较所设计反馈系统之间的调节性能和抗干扰性能,总结了三种控制方案各自的优点和缺点。
关键词: 高超声速飞行器;极点配置;LQR控制;控制
Abstract:This paper use general hypersonic vehicle longitudinal model as research object, and for the linearization model, the paper use three ways to design the controller in order to improve the performance of the system, that is pole placement, LQR and respectively. paring the regulation performance and anti-jamming performance of the feedback system designed, we summarize the advantages and disadvantages of the three kinds of control theories.
Key words: hypersonic vehicle model; pole placement; LQR control; control
1 引言
高超声速飞行器是指飞行马赫数大于5的飞行器,它是一种近空间飞行器。“近空间”可简单理解为:现有飞机飞行的最高高度(约20Km)和卫星运行轨道的最低高度(约100Km)间的空域。近空间飞行器可定性描述为:能持久稳定运行于近空间执行特定任务的各种飞行器。近空间飞行器的发展涉及利用空间,是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一,是综合国力的体现。近空间飞行器的出现将促生新的作战样式,改写联合作战理论,并对未来技术局部战争产生重大影响。
高超声速飞行器与常规的飞行器相比其整体布局采用机身发动机一体化设计,这使得各个子系统之间具有更强的耦合性和非线性。为了满足高超声速飞行器在复杂的飞行条件下仍然拥有稳定的飞行性能和良好的飞行品质,必须采用全新的控制手段。
本文主要对高超声速飞行器模型进行分析,采用极点配置方法、LQR控制与控制三种方法设计控制器,并比较反馈系统之间的调节性能和抗干扰性能。
2 系统建模与模型分析
系统建模
本文考虑的超高声速通用非线性纵向模型为简化需要,必须对飞行器本身和飞行环境做一些适当的假设,不失一般性,假设
(1)高超声速飞行器为理想的刚体,即不考虑机翼等的弹性自由度;
(2)质心位置,转动惯量是质量的函数,质心位置始终在机体轴纵轴变动;
(3)飞行器中心和参考力矩中心在机体X轴上;
(4)假设飞行器布局是对称的,也即惯性积,,恒为零;
(5)忽略操纵面的转动惯量和发动机推力安装角。
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通用高超声速飞行器的纵向模型分析
在高超声速飞行器纵向运动的建模过程中,假设推力方向沿发动机轴线,与机身轴线平行;基于万有引力定律,牛顿第二定律,圆周运动理论和刚体旋转的微分方程式;以节流阀开度,升降舵偏角为输入,并选定飞行的状态变量分别为高超声速飞行器的飞行速度、航迹角、迎角、俯仰角速度以及飞行高度。高声速飞行器纵向动力学模型的非线性方程组可以按照其受力情况在速度坐标系上描述为:
()
()
()
()
()
上述方程式组中的符号意义如下表所示:
符号
意义描述
声速
牵引系数(阻力系数)
升力系数
俯仰力矩系数
迎角力矩系数
升降舵力矩系数
推力系数
平均空气动力弦
阻力
高度
转动惯量
升力
马赫数
飞行器质量
倾斜率
地球半径
参考面(基准面)
推力
飞行速度
迎角
在指定区域条件下的迎角
节流阀开度
航