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        基于反饋線性化/LQR方法的高超聲速飛行器姿控系統(tǒng)設(shè)計

        2014-08-11 11:14:27劉曉韻李宇明
        航天控制 2014年4期
        關(guān)鍵詞:線性化超聲速氣動

        劉曉韻 王 靜 李宇明

        1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱150001 2.中國運載火箭技術(shù)研究院,北京100076 3.北京航天自動控制研究所,北京100854

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        基于反饋線性化/LQR方法的高超聲速飛行器姿控系統(tǒng)設(shè)計

        劉曉韻1王 靜2李宇明3

        1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),哈爾濱150001 2.中國運載火箭技術(shù)研究院,北京100076 3.北京航天自動控制研究所,北京100854

        進(jìn)行了吸氣式乘波體高超聲速飛行器建模與姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計。首先基于擬合氣動參數(shù),建立了高超聲速飛行器縱向動力學(xué)數(shù)學(xué)模型;然后針對模型參數(shù)不確定性情況,在對系統(tǒng)進(jìn)行反饋線性化基礎(chǔ)上,借助狀態(tài)轉(zhuǎn)換和一階泰勒級數(shù)展開,建立了不確定部分的線性化模型,并設(shè)計了LQR控制器參數(shù)。最后仿真結(jié)果表明,當(dāng)模型參數(shù)浮動的情況下,本文設(shè)計的高超聲速飛行控制系統(tǒng),能很好地實現(xiàn)速度與彈道傾角參考指令跟蹤。

        高超聲速飛行器;氣動參數(shù)浮動;反饋線性化;LQR

        臨近空間內(nèi)高超聲速飛行器一般是指飛行馬赫數(shù)大于5,在大氣層和跨大氣層中實現(xiàn)高超聲速飛行的飛行器,此類飛行器采用先進(jìn)的機體/發(fā)動機一體化技術(shù),使得彈性機體、推進(jìn)系統(tǒng)以及結(jié)構(gòu)動態(tài)之間存在強耦合,飛行器模型具有高度非線性。另外,高超聲速飛行器飛行環(huán)境復(fù)雜,發(fā)動機液態(tài)燃料的晃動、大氣壓力的不均勻等使飛行器模型存在很大的不確定性,該模型不準(zhǔn)確性對非線性控制系統(tǒng)會產(chǎn)生很強的負(fù)作用[1-2],因此,高超聲速飛行器的建模與飛行控制系統(tǒng)設(shè)計是當(dāng)前控制領(lǐng)域的研究難點和熱點[3-4]。

        本文基于美國空軍研究實驗室給出的具有乘波體構(gòu)型的高超聲速飛行器氣動數(shù)據(jù),建立了高超聲速飛行器縱向動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,并考慮俯仰力矩系數(shù)不確定性的情況,給出了基于反饋線性化的高超聲速飛行器不確定模型部分的數(shù)學(xué)描述,并進(jìn)行了LQR控制器參數(shù)設(shè)計;最后在俯仰力矩參數(shù)正負(fù)浮動情況下進(jìn)行了飛行控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真驗證。

        1 高超聲速飛行器飛行動力學(xué)建模

        1.1 高超聲速飛行器動力學(xué)數(shù)學(xué)建模與模型分析

        忽略高超聲速飛行器動力學(xué)中的彈性模態(tài),本文采用吸氣式乘波體高超聲速飛行器非線性縱向動力學(xué)數(shù)學(xué)模型[5]為:

        (1)

        其中,h為飛行高度,V為飛行速度,α為攻角,?為俯仰角,ωz為俯仰角速率,θ為彈道傾角,g為重力加速度,m為飛行器質(zhì)量,Iyy為轉(zhuǎn)動慣量,L為升力,D為阻力,T為推力,M為俯仰力矩。

        力和力矩的近似擬合表達(dá)式為:

        CM,δe=ceδe。

        系統(tǒng)控制輸入為發(fā)動機燃油率Φ和舵偏角δe,系統(tǒng)輸出為飛行速度V和彈道傾角θ,上述模型稱為模型1,主要用于控制系統(tǒng)仿真驗證試驗。利用文獻(xiàn)[5]附錄中給出的氣動參數(shù)值,當(dāng)h=25908m,V=2347m/s時,得到系統(tǒng)平衡點處各狀態(tài)變量值如表1所示。在平衡點處,對標(biāo)稱模型進(jìn)行雅克比線性化,可得到標(biāo)稱系統(tǒng)在平衡點處的狀態(tài)空間。

        表1 標(biāo)稱模型平衡點

        1.2 面向控制的高超聲速飛行器動力學(xué)建模

        (2)

        其中,力與力矩的近似擬合表達(dá)式簡化為:

        T=(β1Φ+β2)α3+(β3Φ+β4)α2+

        (β5Φ+β6)α+(β7Φ+β8),

        為了便于進(jìn)行反饋線性化,使系統(tǒng)的階次n與相對階r一致,引入一個二階模型對發(fā)動機動力學(xué)進(jìn)行動態(tài)擴展,該二階動力學(xué)模型為:

        (3)

        其中,ζ為阻尼比,ωn為自然振蕩頻率。

        2 控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真驗證

        2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

        同樣采用反饋線性化的方法,對輸出y1=V和y2=θ分別求三階導(dǎo)數(shù),得到:

        u=-A(x)-1L(x)+A(x)-1w

        則:

        (4)

        x≈F-1(x(0))(x-x(0))+x(0)

        (5)

        根據(jù)式(5)和u=-A(x)-1L(x)+A(x)-1w,可得到u與w的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:

        u=-A(x)-1L(x)+A(x)-1w

        (6)

        將式(5)和(6)代入式(4),則系統(tǒng)可轉(zhuǎn)換為:

        (7)

        (8)

        然后將式(8)中不確定部分ΔW1(x,w)和ΔW2(x,w)分別對X和w進(jìn)行一階泰勒展開,可得:

        則式(8)可轉(zhuǎn)換為如下線性狀態(tài)空間方程形式:

        整理得:

        (9)

        K1=[3.287×10-40.153 0 0 1.497

        -244.639 0 0],

        K2=[-1.122×10-71.674×10-60 0

        1.640×10-51.158 0 0],

        C1=[0 0 1 0 0 0 0 0]T,

        C1=[0 0 0 0 0 0 1 0]T。

        LQR控制器輸出為:

        控制系統(tǒng)實際控制指令為:u=[Φc,δe]T=-A(x)-1L(x)+A(x)-1ω。

        2.2 仿真驗證

        圖1 速度變化曲線

        圖2 彈道傾角變化曲線

        圖3 攻角變化曲線

        圖4 俯仰角變化曲線

        圖5 燃油率變化曲線

        圖6 舵偏角變化曲線

        3 結(jié)論

        針對高超聲速飛行器動力學(xué)模型非線性、強耦合、不確定性的特點,本文基于反饋線性化與LQR相結(jié)合的方法進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計?;跀M合氣動參數(shù),采用雅克比線性化方法建立了高超聲速飛行器縱向動力學(xué)數(shù)學(xué)模型;當(dāng)俯仰力矩參數(shù)存在不確定性時,在對動力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行反饋線性化處理的基礎(chǔ)上,采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和泰勒級數(shù)展開方法對模型不確定部分進(jìn)行了線性化,然后基于包含不確定性的線性化模型,進(jìn)行了LQR控制器參數(shù)設(shè)計。仿真結(jié)果表明,飛行控制系統(tǒng)在氣動參數(shù)上下浮動情況下皆實現(xiàn)了速度和彈道傾角對參考指令的跟蹤,驗證了設(shè)計方法的有效性。

        [1] Jack J McNamara, Peretz P Friedmann. Aeroelastic and Aerothermoelastic Analysis of Hypersonic Vehicles Current Status and Future Trends[C]. 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS /ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Honolulu, Hawaii, 23-26 April 2007.

        [2] Armando A Rodriguez, Jeffrey J Dickeson, Oguzhan Cifdaloz, Robert McCullen, Jose Benavides, Srikanth Sridharan, Atul Kelkar, Jerald M Vogel, Don Soloway. Modeling and Control of Scramjet-Powered Hypersonic Vehicles_ Challenges, Trends, and Tradeoffs[C]. AIAA

        Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit, Honolulu, Hawaii, 18-21 August 2008.

        [3] Michael W Oppenheimer, David B Doman. Control of an Unstable, Nonminimum Phase Hypersonic Vehicle Model[C]. Aerospace Conference, 24, July, 2006.

        [4] Michael A Bolender. An Overview on Dynamics and Controls Modelling of Hypersonic Vehicles[C]. 2009 American Control Conference, Hyatt Regency Riverfront, St. Louis, MO, USA, 10-12, June, 2009.

        [5] Jason T Parker, Andrea Serrani, Stephen Yurkovich, Michael A. Bolender, David B Doman. Control-Oriented Modeling of an Air-Breathing Hypersonic Vehicle [J]. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 30, (3): 856-869, 2007.

        [6] 朱亮, 姜長生, 薛雅麗.一類不確定非線性系統(tǒng)的魯棒自適應(yīng)軌跡線性化控制[J].控制理論與應(yīng)用, 2008,25(4): 723-727.(ZHU Liang, JIANG Changsheng ,XUE Yali.Robust Adaptive Trajectory Linearization Control for a Class of Uncertain Nonlinear Systems [J]. Control Theory & Applications,2008, 25(4): 723-727.)

        [7] Obaid Ur Rehman, Baris Fidan. Ian Petersen. Minimax LQR Control Design for a Hypersonic Flight Vehicle[C].16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Bremen, Germany, October, 2009.

        [8] Jason T Parker, Andrea Serrani, Stephen Yurkovich, Michael A Bolender, David B Doman. Approximate Feedback Linearization of an Air-Breathing Hypersonic Vehicle[C]. AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Keystone, Colorado, 21-24 Aug,2006.

        The Hypersonic Vehicle Attitude Control Based on Feedback Linearization/LQR Method

        LIU Xiaoyun1WANG Jing2LI Yuming3

        1. Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China 2. China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing 100076,China 3. Beijing Aerospace Automatic Control Institute,Beijing 100854,China

        Theaspiratedwaveriderhypersonicvelocitymodelingandcontrolsystemdesignofspacecraftattitudeisimplemented.Basedonthefittingofaerodynamicparameters,thehypersonicvehiclelongitudinaldynamicsmodelisestablished.Then,accordingtothemodelparameteruncertaintyandthefeedbacklinearizationappliedtosystem,thestatetransitionandafirst-orderTaylorseriesexpansionareusedtoestablishtheuncertainlinearmodelanddesigntheLQRcontrollerparameters.Finally,thesimulationresultsshowthatthedesignedhypersonicflightcontrolsystemcanrealizegoodspeedandtrajectoryanglereferencecommandtrackingwhentheparametersofthemodelisfloating.

        Hypersonicaircraft;Aerodynamicparameterfloating;Feedbacklinearization; LQR

        2014-04-24

        劉曉韻(1990-),女,北京人,主要研究方向為飛行器制導(dǎo)與控制;王 靜(1963-),女,北京人, 高級工程師,主要研究方向為航天器技術(shù)管理;李宇明(1977- ),男,北京人,高級工程師,主要研究方向為航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)。

        1006-3242(2014)04-0037-05

        V488.22

        A

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