基于反演的高超聲速飛行器動態(tài)面滑?？刂?/h1>
2016-07-21 04:54:31譚詩利王鵬飛
航天控制 2016年4期
譚詩利 王 潔 王鵬飛
空軍工程大學，西安 710051
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基于反演的高超聲速飛行器動態(tài)面滑?？刂?/p>
譚詩利 王 潔 王鵬飛
空軍工程大學，西安 710051
針對高超聲速飛行器縱向平面軌跡跟蹤問題，提出一種基于反演的動態(tài)面滑?？刂品椒?。引入一階濾波器以避免傳統(tǒng)反演控制的“微分項膨脹”問題，利用雙曲正切函數(shù)的平滑特性以減弱抖振，設計自適應估計律，對干擾項在線估計以增強魯棒性。仿真結(jié)果表明，該方法對高度和速度控制指令具備良好的跟蹤性能。 關鍵詞 高超聲速飛行器；滑模控制；動態(tài)面控制；反演控制；濾波器
高超聲速飛行器在民用和軍事領域有重要的應用前景，已成為各國研究的熱點。相比常規(guī)飛行器，高超聲速飛行器模型更復雜，具有顯著的非線性特性，且存在嚴重的結(jié)構(gòu)彈性和熱彈性效應，模型不確定性增加[1]。這些特征給控制器的設計帶來了全新挑戰(zhàn)。
反演方法解決了高階非線性系統(tǒng)控制器設計復雜的難題，已被廣泛運用到高超聲速飛行器的控制中[2-4]。但單純的反演在解決高階系統(tǒng)的控制問題時易產(chǎn)生“微分膨脹”，且存在魯棒性不強的缺點。動態(tài)面作為傳統(tǒng)反演的補充，有效解決了“微分膨脹”問題且取得了很好的控制效果[5-6]。動態(tài)面控制方法可以避免高階求導引起系統(tǒng)發(fā)散的問題，并能減小計算量[7]?；？刂茻o需參數(shù)辨識且具備較強的魯棒性，文獻[8]使用Terminal滑模用于解決高超聲速飛行器控制問題，文獻[9]設計了自適應滑模控制器，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性。
本文針對高超聲速飛行器縱向平面控制問題，首先給出面向控制模型，并分析其不確定項；然后結(jié)合反演和滑?？刂品椒ㄔO計控制器，設計動態(tài)面用于避免 “微分膨脹”，設計自適應估計律對干擾進行估計增強魯棒性；最后，仿真驗證了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
1 高超聲速飛行器模型
縱向平面的高超聲速飛行器控制主要任務是通過控制輸入量u=[Φδe]T(分別表示燃料當量比和升降舵偏角)來實現(xiàn)對參考值yref=[Vrefhref]T的快速穩(wěn)定跟蹤。國內(nèi)外高超聲速飛行器研究領域最常用的模型是由Bolender和Doman提出的彈性體模型[10]：
(1)
式中：V和h分別為飛行高度和速度；γ和α分別為航跡角和迎角；Q為俯仰角速度；ηi為彈性狀態(tài)量；μ為萬有引力常數(shù)；zT為推力相對于質(zhì)心的力臂；m和Iy分別為飛行器質(zhì)量及其沿y軸的轉(zhuǎn)動慣量；ζi和ωi分別為阻尼比和自然振動頻率；L，D，T及M分別為飛行器的升力、阻力、推力及俯仰力矩；Re為地球半徑；Ni為廣義彈性力。
式(1)所示的模型不僅含剛體狀態(tài)量X=[V,h,γ,α,Q]T，還含彈性狀態(tài)量，能逼真地反應系統(tǒng)的工作原理，但式(1)結(jié)構(gòu)復雜，參數(shù)、變量多，方程階次高，且方程形式復雜，直接用于控制器的設計不可行。針對這一情況，將式(1)中飛行器的升力L、阻力D、推力T及俯仰力矩M,廣義彈性力Ni擬合成如下形式[11]：
(2)
將式(2)擬合的作用力或力矩代入飛行器的動力學方程式(1)中，推導出面向控制的嚴格反饋形式模型，如式(3)～(7)所示：
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
在式(3)～(7)中，di(i=V,h,γ,α,Q)為因式(2)中曲線擬合而引入的誤差。令θi∈{θTθLθDθM}分別為推力、升力、阻力和俯仰力矩的擬合誤差，θh為Tsinα和Vsinγ的近似誤差系數(shù)，則
dV=(θTcosα-θD)/m，
dh=θhVγ2/2，
dγ=(θL+θTsinα)/mV，
dα=-dγ，
dQ=(zTθT+θM)/Iy。
在如式(3)～(7)所示的面向控制模型中，只含有剛體狀態(tài)量X=[V,h,γ,α,Q]T，這是由于彈性狀態(tài)量η在工程實踐中無法測量，因此將彈性振動對剛體運動的影響計入擬合誤差，這符合所設計控制器的工程實用性要求，并且如果設計的控制器具有魯棒性，就能穩(wěn)定彈性振動對飛行器剛體運動產(chǎn)生的影響。
綜上，式(1)所示模型作為第4節(jié)仿真驗證時的對象模型，用于驗證所設計控制器的有效性。式(3)～(7)所示模型則用于第2節(jié)中控制器的具體設計。
2 控制器設計
2.1 速度控制器設計
速度由式(3)所示的一階系統(tǒng)決定，速度V的大小主要受燃料當量比Φ的控制?；诨？刂频脑O計思想，定義滑模面σV=V-Vref，則有
(8)
設計控制量Φ為
(9)
2.2 高度控制器設計
高度由式(4)～(7)組成的四階系統(tǒng)決定，升降舵偏角δe引起俯仰角速度Q的變化，進而引起攻角α的變化，及航跡角γ的變化，最后引起高度h的變化?；诜囱菰O計的思想，δe為實際控制量，定義Qc，αc和γc為虛擬控制量，定義滑模面：
(10)
實際控制量和虛擬控制量設計為
(11)
定義一階濾波器動態(tài)系統(tǒng)的估計誤差為：
(12)
(13)
(14)
一階濾波器設計如下：
(15)
(16)
(17)
式中，τγ，τα，τQ為時間常數(shù)。
2.3 干擾上界估計
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
3 穩(wěn)定性分析
首先定義不確定項的估計誤差為
(23)
選取Lyapunov函數(shù)
W=WV+Wh+Wγ+Wα+WQ
(24)
其中，
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
運用Lyapunov函數(shù)證明穩(wěn)定性時，使用了2個引理：引理1和引理2。
引理1 對于任意和任意常數(shù)，有如下不等關系式成立，
(30)
其中，κ為常數(shù)，滿足κ=exp[-(κ+1)]，即κ≈0.2785。
引理2young′s基本不等式
±2xy≤cx2+(1/c)y2
(31)
其中，c>0為常數(shù)。
(32)
其中，ch,1，ch,2，cγ，cα,1和cQ,1為由Young’s基本不等式產(chǎn)生的常數(shù)，Δ取值如下：
(33)
4 仿真驗證
飛行器在動壓q=90148Pa，高度h=26212.8 m(86000ft)的初始巡航條件下，考慮典型的機動飛行情況：保持動壓不變，高度指令的階躍幅值為Δhc=1828.8m (6000ft)。將Δhc通過阻尼比ζn=0.95和自然頻率wn=0.03rad/s的二階參考模型環(huán)節(jié)，生成待跟蹤的高度參考軌跡href(t)。仿真采用四階Runge-Kuta數(shù)值求解，步長為0.001s?？刂破鞯膮?shù)分別取值為：kV,1=2，kV,2=1.2,kh,1=1.5,kh,2=0.5,kγ,1=1.5,kγ,2=1,kα,1=2,kα,2=1.2,kQ,1=1.5,kQ,2=0.5,εi=0.01(i=h,γ,α,Q)，濾波器參數(shù)分別為τα=τγ=τQ=0.1，自適應估計律的參數(shù)為βi=0.1,λi=10 (i=h,γ,α,Q)。仿真結(jié)果如圖1～6所示。
圖1 速度跟蹤及跟蹤誤差曲線
圖2 高度跟蹤及跟蹤誤差曲線
圖3 航跡角、攻角和俯仰角跟蹤曲線
圖4 燃料當量比輸入曲線
圖5 升降舵偏角輸入曲線
圖6 彈性狀態(tài)量變化曲線
由圖1和2可知，實現(xiàn)了對參考飛行高度和速度的快速跟蹤，并且穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差限定在零值附近。圖3表明航跡角、攻角和俯仰角速度穩(wěn)定地跟蹤了指令信號。圖4和5表明控制量輸入平穩(wěn)且在可實現(xiàn)的范圍之內(nèi)。圖6表明在狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中，彈性模態(tài)的變化在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。仿真結(jié)果說明設計的控制器達到了預定的控制目的。
5 結(jié)論
針對高超聲速飛行器模型非線性、不確定性的特征，在反演設計的基礎上，設計了一種動態(tài)面滑模控制器。引入一階濾波器，避免了傳統(tǒng)反演控制的“微分項膨脹”問題，利用雙曲正切函數(shù)的平滑特性增強控制過程的穩(wěn)定度，在控制器中設計滑模面的積分項消除靜差。針對干擾上界的不確定設計自適應估計律，并引入自適應估計修正項，抑制自適應調(diào)節(jié)過程中的參數(shù)漂移，增強了控制器的魯棒性。仿真結(jié)果表明，控制器很好地實現(xiàn)了對控制指令的跟蹤且響應速度較快。
[1]FidanB,MirmiraniM,IoannouPA.FlightDynamicsandControlofAir-BreathingHypersonicVehicles：ReviewandNewDirections[C].AIAA-2003-7081, 2003.
[2] 時建明, 王潔, 王琨, 邵雷. 吸氣式高超聲速飛行器縱向運動反演控制器設計[J]. 西安交通大學學報, 2013, 47(3):102-107. (ShiJianming,WangJie,WangKun,ShaoLei.DesignofBacksteppigControllerforLongitudinalMotionofanAir-BreathingHypersonicVehicle[J].JournalofXi’anJiaotongUniversity, 2013, 47(3): 102-107.)
[3] 黃喜元,王青,董朝陽. 基于Backstepping的高超聲速飛行器魯棒自適應控制[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011, 33(6): 1321-1326. (HuangXiyuan,WangQing,DongChaoyang.RobustAdaptiveControlofHypersonicVehiclesviaBacksteppingMethod[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2011, 33(6): 1321-1326.)
[4]BialyBJ，KlotzJ,etal.AnAdaptiveBacksteppingControllerforaHypersonicAir-BreathingMissile[C].AIAA-2012-4468, 2012.
[5] 卜祥偉，吳曉燕，陳永興，白瑞陽. 基于非線性干擾觀測器的高超聲速飛行器滑模反演控制[J]. 控制理論與應用, 2014, 31(11): 1473-1479. (BuXiangwei,WuXiaoyan,ChenYongxin,BaiRuiyang.Nonlinear-
disturbance-observer-basedSlidingModeBacksteppingControlofHypersonicVehicles[J].ControlTheory&Applications, 2014, 31(11): 1473-1479.)
[6] 于靖，陳謀，姜長生. 基于干擾觀測器的非線性不確定系統(tǒng)自適應滑?？刂芠J]. 控制理論與應用，2014, 31(8): 993-999. (YuJing,ChenMou,JiangChangsheng.AdaptiveSlidingModeControlforNonlinearUncertainSystemsBasedonDisturbanceObserver[J].ControlTheory&Applications, 2014, 31(8): 993-999.)
[7] 梁勇，尚安利，鄧方林. 一類非線性系統(tǒng)的動態(tài)面二階滑?？刂芠J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004,26(10):1468-1471. (LiangYong,ShangAnli,DengFanglin.DynamicSurfaceSecond-orderSlidingModeControlforaClassofNonlinearSystems[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2004, 26(10): 1468-1471.)
[8] 王鵬，劉魯華，吳杰. 高超聲速飛行器Terminal滑?？刂葡到y(tǒng)設計[J]. 航天控制，2012，30(5)：9-14. (WangPeng,LiuLuhua,WuJie.TheTerminalSlidingModeControlSystemDesignforHypersonicFlightVehicle[J].AerospaceControl, 2012, 30(5): 9-14.)
[9]HuXX,WuLG,HuCH,etal.AdaptiveSlidingModeTrackingControlforaFlexibleAir-breathingHypersonicVehicle[J].JournaloftheFranklinlnstitute, 2012, 349(2): 559-577.
[10]MichaelA.BolenderandDavidB.Doman.NonlinearLongitudinalDynamicalModelofanAir-BreathingHypersonicVehicle[J].JournalofSpacecraftandRockets, 2007, 44(2): 374-387.
[11]FiorentiniL.NonlinearAdaptiveControllerDesignforAir-breathingHypersonicVehicles[D].Columbus:TheOhioStateUniversity, 2010.
The Dynamic Surface and Sliding Mode Controller Design for Hypersonic Vehicles
Tan Shili, Wang Jie, Wang Pengfei
Air Force Engineering University, Xi′an 710051, China
Adynamicsurfaceandslidingmodecontrollerisdesignedforthelongitudinaltrackofflexiblehypersonicvehicles.Thelow-passfirstorderfilterisintroducedtoobtainthederivativesofvirtualcontrollaws,whichavoidsdifferentiationteen’sexplosionintheoriginalback-steppingcontrol.Thehyperbolictangentfunctionisintroducedinsteadofsignfunctionforchatteringeliminationintheslidingmodecontrol.Adaptivedisturbanceobserverisintroducedtoestimateandcompensatethemodeuncertaintiestoincreasethecontroller′srobust.Theresultofreferencetrajectorytrackingsimulationshowstheeffectivenessofthiscontrollerbytrackingvelocityandaltitudecommands.
Hypersonicvehicles;Slidingmodecontrol;Dynamicsurface;Back-stepping；Filter
2015-07-29
譚詩利(1991-)，男，湖北利川人，博士研究生，主要研究方向為高超聲速飛行器控制理論與方法；王 潔(1967-)，女，陜西渭南人，博士，教授，主要研究方向為非線性控制理論；王鵬飛(1988-)，男，河南開封人，博士研究生，主要研究方向為高超聲速飛行器受限彈性控制。
TP273
A
1006-3242(2016)04-0023-06
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譚詩利 王 潔 王鵬飛
空軍工程大學，西安 710051
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基于反演的高超聲速飛行器動態(tài)面滑?？刂?/p>
譚詩利 王 潔 王鵬飛
空軍工程大學，西安 710051
針對高超聲速飛行器縱向平面軌跡跟蹤問題，提出一種基于反演的動態(tài)面滑?？刂品椒?。引入一階濾波器以避免傳統(tǒng)反演控制的“微分項膨脹”問題，利用雙曲正切函數(shù)的平滑特性以減弱抖振，設計自適應估計律，對干擾項在線估計以增強魯棒性。仿真結(jié)果表明，該方法對高度和速度控制指令具備良好的跟蹤性能。 關鍵詞 高超聲速飛行器；滑模控制；動態(tài)面控制；反演控制；濾波器
高超聲速飛行器在民用和軍事領域有重要的應用前景，已成為各國研究的熱點。相比常規(guī)飛行器，高超聲速飛行器模型更復雜，具有顯著的非線性特性，且存在嚴重的結(jié)構(gòu)彈性和熱彈性效應，模型不確定性增加[1]。這些特征給控制器的設計帶來了全新挑戰(zhàn)。
反演方法解決了高階非線性系統(tǒng)控制器設計復雜的難題，已被廣泛運用到高超聲速飛行器的控制中[2-4]。但單純的反演在解決高階系統(tǒng)的控制問題時易產(chǎn)生“微分膨脹”，且存在魯棒性不強的缺點。動態(tài)面作為傳統(tǒng)反演的補充，有效解決了“微分膨脹”問題且取得了很好的控制效果[5-6]。動態(tài)面控制方法可以避免高階求導引起系統(tǒng)發(fā)散的問題，并能減小計算量[7]?；？刂茻o需參數(shù)辨識且具備較強的魯棒性，文獻[8]使用Terminal滑模用于解決高超聲速飛行器控制問題，文獻[9]設計了自適應滑模控制器，增強了控制系統(tǒng)的魯棒性。
本文針對高超聲速飛行器縱向平面控制問題，首先給出面向控制模型，并分析其不確定項；然后結(jié)合反演和滑?？刂品椒ㄔO計控制器，設計動態(tài)面用于避免 “微分膨脹”，設計自適應估計律對干擾進行估計增強魯棒性；最后，仿真驗證了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能。
1 高超聲速飛行器模型
縱向平面的高超聲速飛行器控制主要任務是通過控制輸入量u=[Φδe]T(分別表示燃料當量比和升降舵偏角)來實現(xiàn)對參考值yref=[Vrefhref]T的快速穩(wěn)定跟蹤。國內(nèi)外高超聲速飛行器研究領域最常用的模型是由Bolender和Doman提出的彈性體模型[10]：
(1)
式中：V和h分別為飛行高度和速度；γ和α分別為航跡角和迎角；Q為俯仰角速度；ηi為彈性狀態(tài)量；μ為萬有引力常數(shù)；zT為推力相對于質(zhì)心的力臂；m和Iy分別為飛行器質(zhì)量及其沿y軸的轉(zhuǎn)動慣量；ζi和ωi分別為阻尼比和自然振動頻率；L，D，T及M分別為飛行器的升力、阻力、推力及俯仰力矩；Re為地球半徑；Ni為廣義彈性力。
式(1)所示的模型不僅含剛體狀態(tài)量X=[V,h,γ,α,Q]T，還含彈性狀態(tài)量，能逼真地反應系統(tǒng)的工作原理，但式(1)結(jié)構(gòu)復雜，參數(shù)、變量多，方程階次高，且方程形式復雜，直接用于控制器的設計不可行。針對這一情況，將式(1)中飛行器的升力L、阻力D、推力T及俯仰力矩M,廣義彈性力Ni擬合成如下形式[11]：
(2)
將式(2)擬合的作用力或力矩代入飛行器的動力學方程式(1)中，推導出面向控制的嚴格反饋形式模型，如式(3)～(7)所示：
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
在式(3)～(7)中，di(i=V,h,γ,α,Q)為因式(2)中曲線擬合而引入的誤差。令θi∈{θTθLθDθM}分別為推力、升力、阻力和俯仰力矩的擬合誤差，θh為Tsinα和Vsinγ的近似誤差系數(shù)，則
dV=(θTcosα-θD)/m，
dh=θhVγ2/2，
dγ=(θL+θTsinα)/mV，
dα=-dγ，
dQ=(zTθT+θM)/Iy。
在如式(3)～(7)所示的面向控制模型中，只含有剛體狀態(tài)量X=[V,h,γ,α,Q]T，這是由于彈性狀態(tài)量η在工程實踐中無法測量，因此將彈性振動對剛體運動的影響計入擬合誤差，這符合所設計控制器的工程實用性要求，并且如果設計的控制器具有魯棒性，就能穩(wěn)定彈性振動對飛行器剛體運動產(chǎn)生的影響。
綜上，式(1)所示模型作為第4節(jié)仿真驗證時的對象模型，用于驗證所設計控制器的有效性。式(3)～(7)所示模型則用于第2節(jié)中控制器的具體設計。
2 控制器設計
2.1 速度控制器設計
速度由式(3)所示的一階系統(tǒng)決定，速度V的大小主要受燃料當量比Φ的控制?；诨？刂频脑O計思想，定義滑模面σV=V-Vref，則有
(8)
設計控制量Φ為
(9)
2.2 高度控制器設計
高度由式(4)～(7)組成的四階系統(tǒng)決定，升降舵偏角δe引起俯仰角速度Q的變化，進而引起攻角α的變化，及航跡角γ的變化，最后引起高度h的變化?；诜囱菰O計的思想，δe為實際控制量，定義Qc，αc和γc為虛擬控制量，定義滑模面：
(10)
實際控制量和虛擬控制量設計為
(11)
定義一階濾波器動態(tài)系統(tǒng)的估計誤差為：
(12)
(13)
(14)
一階濾波器設計如下：
(15)
(16)
(17)
式中，τγ，τα，τQ為時間常數(shù)。
2.3 干擾上界估計
(18)
(19)
(20)
(21)
(22)
3 穩(wěn)定性分析
首先定義不確定項的估計誤差為
(23)
選取Lyapunov函數(shù)
W=WV+Wh+Wγ+Wα+WQ
(24)
其中，
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
運用Lyapunov函數(shù)證明穩(wěn)定性時，使用了2個引理：引理1和引理2。
引理1 對于任意和任意常數(shù)，有如下不等關系式成立，
(30)
其中，κ為常數(shù)，滿足κ=exp[-(κ+1)]，即κ≈0.2785。
引理2young′s基本不等式
±2xy≤cx2+(1/c)y2
(31)
其中，c>0為常數(shù)。
(32)
其中，ch,1，ch,2，cγ，cα,1和cQ,1為由Young’s基本不等式產(chǎn)生的常數(shù)，Δ取值如下：
(33)
4 仿真驗證
飛行器在動壓q=90148Pa，高度h=26212.8 m(86000ft)的初始巡航條件下，考慮典型的機動飛行情況：保持動壓不變，高度指令的階躍幅值為Δhc=1828.8m (6000ft)。將Δhc通過阻尼比ζn=0.95和自然頻率wn=0.03rad/s的二階參考模型環(huán)節(jié)，生成待跟蹤的高度參考軌跡href(t)。仿真采用四階Runge-Kuta數(shù)值求解，步長為0.001s?？刂破鞯膮?shù)分別取值為：kV,1=2，kV,2=1.2,kh,1=1.5,kh,2=0.5,kγ,1=1.5,kγ,2=1,kα,1=2,kα,2=1.2,kQ,1=1.5,kQ,2=0.5,εi=0.01(i=h,γ,α,Q)，濾波器參數(shù)分別為τα=τγ=τQ=0.1，自適應估計律的參數(shù)為βi=0.1,λi=10 (i=h,γ,α,Q)。仿真結(jié)果如圖1～6所示。
圖1 速度跟蹤及跟蹤誤差曲線
圖2 高度跟蹤及跟蹤誤差曲線
圖3 航跡角、攻角和俯仰角跟蹤曲線
圖4 燃料當量比輸入曲線
圖5 升降舵偏角輸入曲線
圖6 彈性狀態(tài)量變化曲線
由圖1和2可知，實現(xiàn)了對參考飛行高度和速度的快速跟蹤，并且穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差限定在零值附近。圖3表明航跡角、攻角和俯仰角速度穩(wěn)定地跟蹤了指令信號。圖4和5表明控制量輸入平穩(wěn)且在可實現(xiàn)的范圍之內(nèi)。圖6表明在狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中，彈性模態(tài)的變化在系統(tǒng)允許的范圍內(nèi)。仿真結(jié)果說明設計的控制器達到了預定的控制目的。
5 結(jié)論
針對高超聲速飛行器模型非線性、不確定性的特征，在反演設計的基礎上，設計了一種動態(tài)面滑模控制器。引入一階濾波器，避免了傳統(tǒng)反演控制的“微分項膨脹”問題，利用雙曲正切函數(shù)的平滑特性增強控制過程的穩(wěn)定度，在控制器中設計滑模面的積分項消除靜差。針對干擾上界的不確定設計自適應估計律，并引入自適應估計修正項，抑制自適應調(diào)節(jié)過程中的參數(shù)漂移，增強了控制器的魯棒性。仿真結(jié)果表明，控制器很好地實現(xiàn)了對控制指令的跟蹤且響應速度較快。
[1]FidanB,MirmiraniM,IoannouPA.FlightDynamicsandControlofAir-BreathingHypersonicVehicles：ReviewandNewDirections[C].AIAA-2003-7081, 2003.
[2] 時建明, 王潔, 王琨, 邵雷. 吸氣式高超聲速飛行器縱向運動反演控制器設計[J]. 西安交通大學學報, 2013, 47(3):102-107. (ShiJianming,WangJie,WangKun,ShaoLei.DesignofBacksteppigControllerforLongitudinalMotionofanAir-BreathingHypersonicVehicle[J].JournalofXi’anJiaotongUniversity, 2013, 47(3): 102-107.)
[3] 黃喜元,王青,董朝陽. 基于Backstepping的高超聲速飛行器魯棒自適應控制[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2011, 33(6): 1321-1326. (HuangXiyuan,WangQing,DongChaoyang.RobustAdaptiveControlofHypersonicVehiclesviaBacksteppingMethod[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2011, 33(6): 1321-1326.)
[4]BialyBJ，KlotzJ,etal.AnAdaptiveBacksteppingControllerforaHypersonicAir-BreathingMissile[C].AIAA-2012-4468, 2012.
[5] 卜祥偉，吳曉燕，陳永興，白瑞陽. 基于非線性干擾觀測器的高超聲速飛行器滑模反演控制[J]. 控制理論與應用, 2014, 31(11): 1473-1479. (BuXiangwei,WuXiaoyan,ChenYongxin,BaiRuiyang.Nonlinear-
disturbance-observer-basedSlidingModeBacksteppingControlofHypersonicVehicles[J].ControlTheory&Applications, 2014, 31(11): 1473-1479.)
[6] 于靖，陳謀，姜長生. 基于干擾觀測器的非線性不確定系統(tǒng)自適應滑?？刂芠J]. 控制理論與應用，2014, 31(8): 993-999. (YuJing,ChenMou,JiangChangsheng.AdaptiveSlidingModeControlforNonlinearUncertainSystemsBasedonDisturbanceObserver[J].ControlTheory&Applications, 2014, 31(8): 993-999.)
[7] 梁勇，尚安利，鄧方林. 一類非線性系統(tǒng)的動態(tài)面二階滑?？刂芠J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2004,26(10):1468-1471. (LiangYong,ShangAnli,DengFanglin.DynamicSurfaceSecond-orderSlidingModeControlforaClassofNonlinearSystems[J].SystemsEngineeringandElectronics, 2004, 26(10): 1468-1471.)
[8] 王鵬，劉魯華，吳杰. 高超聲速飛行器Terminal滑?？刂葡到y(tǒng)設計[J]. 航天控制，2012，30(5)：9-14. (WangPeng,LiuLuhua,WuJie.TheTerminalSlidingModeControlSystemDesignforHypersonicFlightVehicle[J].AerospaceControl, 2012, 30(5): 9-14.)
[9]HuXX,WuLG,HuCH,etal.AdaptiveSlidingModeTrackingControlforaFlexibleAir-breathingHypersonicVehicle[J].JournaloftheFranklinlnstitute, 2012, 349(2): 559-577.
[10]MichaelA.BolenderandDavidB.Doman.NonlinearLongitudinalDynamicalModelofanAir-BreathingHypersonicVehicle[J].JournalofSpacecraftandRockets, 2007, 44(2): 374-387.
[11]FiorentiniL.NonlinearAdaptiveControllerDesignforAir-breathingHypersonicVehicles[D].Columbus:TheOhioStateUniversity, 2010.
The Dynamic Surface and Sliding Mode Controller Design for Hypersonic Vehicles
Tan Shili, Wang Jie, Wang Pengfei
Air Force Engineering University, Xi′an 710051, China
Adynamicsurfaceandslidingmodecontrollerisdesignedforthelongitudinaltrackofflexiblehypersonicvehicles.Thelow-passfirstorderfilterisintroducedtoobtainthederivativesofvirtualcontrollaws,whichavoidsdifferentiationteen’sexplosionintheoriginalback-steppingcontrol.Thehyperbolictangentfunctionisintroducedinsteadofsignfunctionforchatteringeliminationintheslidingmodecontrol.Adaptivedisturbanceobserverisintroducedtoestimateandcompensatethemodeuncertaintiestoincreasethecontroller′srobust.Theresultofreferencetrajectorytrackingsimulationshowstheeffectivenessofthiscontrollerbytrackingvelocityandaltitudecommands.
Hypersonicvehicles;Slidingmodecontrol;Dynamicsurface;Back-stepping；Filter
2015-07-29
譚詩利(1991-)，男，湖北利川人，博士研究生，主要研究方向為高超聲速飛行器控制理論與方法；王 潔(1967-)，女，陜西渭南人，博士，教授，主要研究方向為非線性控制理論；王鵬飛(1988-)，男，河南開封人，博士研究生，主要研究方向為高超聲速飛行器受限彈性控制。
TP273
A
1006-3242(2016)04-0023-06
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