高超声速飞行器模型线性化与控制的仿真研究(3)
1．3 高超声速飞行器控制研究现状
由于高超声速飞行器系统是一个强非线性、强耦合和强不确定的对象，很明显我们可以得出结论：高超声速飞行器可以采用几乎所有的非线性控制器，我们也不排除存在着一些只适用于飞行控制的特定方法。下面简单介绍一些常用的高超声速飞行控制方法。
（1）增益预置法
它是在飞行器的航行过程中，选取多个平衡状态，并在每个平衡状态对模型进行小扰动线性化处理，然后再对各个线性系统设计线性控制器[11]。增益预置法使用十分普遍，在很多论文中都给出了通过增益预置法而得到的高超声速飞行器线性模型，NASA的X-34高超声速飞行器就采用这种控制方法。但增益预置法是开环控制，显然对于飞行环境剧烈变化的高超声速飞行器而言，很难保证飞行稳定，有一定的局限性。本文就是依据NASA给出的官方数据模型和平衡点参数建立了线性系统，并在此基础上通过多种方法设计控制器分析其优劣。
（2）反馈线性法
它是在系统中加入非线性反馈，然后对系统进行坐标变换，由此使系统转化为线性系统，最后对线性系统进行控制器设计[12]。由大量实验数据表明，比起增益预置法飞行控制器设计更适合采用反馈线性法，不过我们建立的高超声速飞行器数学模型不够精确，因此在这里这种方法不适用。
（3）滑模变结构控制
它是被控系统在滑模控制器作用下，根据系统的状态偏差及偏差的各阶导数产生控制信号，沿着预定的滑模面运动，从而实现对于指令信号的跟踪[14]。但因为系统不可能只在一个滑模面上，控制指令必然会随着系统的不断穿越滑模面而逻辑切换，所以滑模变结构控制会产生抖振。抖振会使执行机构产生激烈振荡，也可能会激发的高阶未建模特性，所以必须对滑模变结构控制系统改进，才能应用于实际[15]。
（4）自适应控制
它的基本思路是通过在线辨识获取系统的不确定参数或动态，在进行对应控制律设计。自适应控制器一般采用李雅普诺夫方法设计，可以很好地确定系统的全局稳定性[13]。
（5）鲁棒控制
鲁棒控制已形成一套比较完整的控制方法理论，包括 控制、保性能控制等控制方法。鲁棒控制的优点是抑制干扰，但它是考虑最差条件下获得，在一定程度上浪费了性能指标[13]。
（6）反步法控制
反步法控制是把系统控制器的设计分解为几个步骤，然后在每个小步骤的设计中，根据预定目标，选择恰当的虚拟控制来进行设计，每个虚拟控制都会逐步修改控制算法，直至最终实现整个系统预计指标[16]。
1．4 本文的内容安排
本次毕业设计的背景是美国NASA研制的Hyper-X系列高超声速飞行器，主要内容是对高超声速飞行器的非线性模型线性化解耦，并对线性化系统设计控制器而后仿真分析。关于本文的内容，做如下安排：
第一章为绪论，介绍了本文的研究对象为高超声速飞行器，以及它的基本信息，如研究背景和研究意义，它的构造和关键技术，同时罗列了几种当今对高超声速飞行器的主要控制方法，最后还给出了论文的内容安排。
第二章是基于NASA给出的算法和数学模型，构建高超声速飞行器的运动仿真模型，对模型解耦得到纵向模型，再根据给出的平衡点参数对该非线性模型线性化，最终得到高超声速飞行器在特定平衡点的线性化数学模型。
第三章是在第二章所建立的数学模型的基础上，对模型进行基本的系统分析。
第四章是设计控制器，本文具体介绍了四种控制器设计方法，分别为：极点配置、LQR设计、LQG设计和 控制器设计，并且分析比较这四种方法的调节性能和抗干扰性能等。