> 博士毕业论文 > 91090字博士毕业论文高超音速飞行器的自适应有限时间制导方案

91090字博士毕业论文高超音速飞行器的自适应有限时间制导方案

论文类型:博士毕业论文
论文字数:91090字
论点:飞行器,制导,坐标系
论文概述:

本文是博士学位论文,本文对高超声速滑翔飞行器的滑翔制导问题和精确导引问题进行深入研究,提出了一种考虑不确定性的有限时间制导方法。

论文正文:

第一章绪方

高超声速滑翔飞行器是一种无动力飞行器。它通常具有面对面的结构和中/高升阻比,并且可以在空附近滑行。其运动具有非线性和强耦合的特点,高超音速飞行产生的高度非线性流体动力特性和高温物理化学特性进一步加剧了上述非线性和强耦合特性[12]。它的飞行包线跨度大,状态变化快,因此飞机的运动也具有大范围和状态快速变化的特点。由于空附近的大气特性和高超音速时的流体动力特性没有完全掌握,飞机的运动存在许多不确定性。此外,飞机必须满足各种过程约束和终端约束,以确保飞行安全并获得理想的制导精度。综上所述,高超声速滑翔飞行器的非线性、强耦合、大范围、状态快速变化等特点,以及各种不确定性、过程约束和末端约束,给飞行器的制导带来了很大困难。为了解决高超声速滑翔飞行器的滑翔制导和精确制导问题,提出了一种考虑不确定性的高超声速滑翔飞行器自适应有限时间制导方法。该方法适用于非线性、强耦合和大范围状态变化的对象。制导律设计简单,能够满足各种过程约束和终端约束。同时,在状态快速变化和不确定的情况下,可以获得较高的制导精度。
...

第2章飞机制导研究中的数学模型

2.1引言
为了研究飞机制导问题,需要建立相关的数学模型。这些模型将为后续的制导方法研究和仿真验证提供模型基础。首先,本章给出了数学建模所需的变量定义、坐标系定义和坐标系之间的转换矩阵。在此基础上,给出了飞机质心运动模型及相关环境模型。它们可用于在制导方法的数值模拟中模拟飞机的运动。同时,它们也是推导相关制导律设计模型的基础。然后,给出了飞机与目标的相对运动模型及相关关系方程,可用于描述飞机与目标的相对运动关系,为研究飞机精确制导奠定了基础。

2.2坐标系定义和变换矩阵
(1)坐标系定义
地心坐标系,缩写为C,原点在地球中心。赤道平面中的X轴从地球中心指向赤道和主副线的交点。Z轴指向垂直于赤道面的北极。Y轴、X轴和Z轴形成右侧直角坐标系。地理坐标系简单地表示为P,它的原点位于飞机的质心,Y轴沿着连接飞机质心和质心的直线指向天空,X轴垂直于Y轴,在包含原点的子午面指向北方,Z轴、X轴和Y轴形成右手直角坐标系。轨迹坐标系(Trajectory coordinate system),缩写为F,原点在飞机的质心,X轴与速度矢量方向相同,Y轴垂直于X轴,指向包含原点的垂直面中的天空,Z轴、X轴和Y轴构成右手直角坐标系。速度坐标系简单地表示为V,它的原点位于飞机的质心,X轴与速度矢量方向相同,Y轴垂直于X轴,指向飞机纵向平面上包含原点的飞机上方,Z轴、X轴和Y轴形成右手直角坐标系。射弹坐标系简称为B,其原点位于飞机的质心,X轴与飞机纵轴方向相同,指向前方,Y轴垂直于X轴,在包含原点的飞机纵平面上指向上方,Z轴、X轴和Y轴构成右手直角坐标系。

第3章有限时间线性控制和扩展状态观测器……23
3.1导言……23
3.2问题描述............................23
3.3一类特殊线性系统的性质................................25
第4章三维参考轨迹的自适应生成..............................53
4.1导言……53
4.2问题描述……53
第5章自适应有限时间轨迹跟踪控制方法……81
5.1导言................................81
5.2问题描述............................81
5.3控制约束下的扰动和纵向轨迹跟踪控制...................85

第7章高超声速滑翔飞行器制导综合仿真分析

7.1简介
基于上述飞机制导方法的研究成果,利用VC++开发了飞机制导综合仿真平台界面,利用C++开发了制导算法、飞机运动、环境计算、仿真控制等模块,利用VC++和卫星工具包(简称STK)开发了可视化显示模块,实现了飞行场景二维/三维场景的可视化演示。在此基础上,针对各种任务和不确定性组合,对本文提出的制导方法进行了综合仿真和验证。研究了该制导方法在较大不确定性和较大模型参数变化范围下的制导效果,并对仿真结果进行了分析。

7.2飞机制导方法综合仿真平台
制导方法综合仿真平台可以验证数学模型和假设的正确性以及制导方法的有效性,为飞机制导和控制系统的发展提供支持。通过仿真试验对制导控制系统进行论证和验证,可以避免飞行试验的风险,节约开发成本,缩短开发周期。在仿真过程中,3D/2D飞行场景的可视化显示可以帮助相关人员更好地了解飞行情况,为仿真分析提供支持。STK是太空领域的商业分析软件。它是美国分析图形有限公司(AGI) [149]生产的一系列图形和交互式空间工程应用软件产品的核心。它支持空间任务周期的整个过程,提供计算数据的分析引擎,显示二维地图/三维场景和物体,如运载火箭、卫星、飞机和车辆,并增强用户对[局势的了解和理解。STK提供了多种与外部应用程序的交互模式(如图7-1所示),包括组件、传输控制协议/协议、套接字等。数据也可以通过STK数据文件传输,从而将STK强大的态势显示和数据分析功能集成到外部应用中。
……

结论

[/BR/]本文对高超声速滑翔飞行器的滑翔制导和精确制导进行了深入研究,提出了一种考虑不确定性的有限时间制导方法。获得了以下创新成果:
(1)提出了有限时间线性控制方法和有限时间线性扩展状态观测器(FT-LESO)设计方法。给出了有限时间线性控制器参数、系统收敛速度和调节时间之间的解析关系,为基于期望收敛性能的控制器快速设计提供了理论依据,有利于控制器的在线设计和参数调节。给出了傅立叶变换LESO参数与观测误差收敛速度、调整时间和稳态值的解析关系,以保证傅立叶变换LESO的观测性能满足指标要求,实现快速准确的扰动观测,为扰动补偿和抑制创造良好条件。
(2)提出了一种适应参数和任务变化的三维参考轨迹自适应生成方法。给出了弹道变量之间的解析关系,分析了弹道高度-速度曲线对射程的影响。结合离线迎角-速度曲线优化和在线高度-速度曲线设计,将多约束条件下的三维参考轨迹生成问题转化为单参数搜索问题,给出了三维参考轨迹的快速计算方法,以保证参考轨迹满足多约束条件,适用于大型侧向机动任务。根据在线模型参数估计和飞行任务变化信息,在线生成参考轨迹,对模型参数的变化和飞行中目标的变化具有很强的适应性。
……

参考文献(省略)