高超声速飞行器递阶滑模控制研究

马利民（中国人民解放军驻锦州地区军事代表室，121000）



高超声速飞行器递阶滑模控制研究

马利民
（中国人民解放军驻锦州地区军事代表室，121000）

摘要：针对高超声速飞行器轨迹高度和速度跟踪控制问题，基于纵向动力学的输入/输出线性化模型，设计了递阶滑模控制器和非线性扰动观测器，用于解决系统存在不确定性问题和执行机构带有死区非线性问题，对于所设计的控制器和观测器进行了稳定性分析，并且通过仿真验证了本文提出的方法能够提高系统的收敛速度和收敛精度并能克服执行机构死区的影响。关键词：高超声速飞行器；非线性；递阶滑模；扰动观测器

高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于或等于5，以吸气式推进系统为动力的飞行器，由于具有重要的军事意义，它已成为世界航空航天领域极其重要的发展方向。文献[2]基于高超声速空气动力学理论研究了高超声速飞行器纵向动力学特性，为控制系统设计奠定了基础。本文基于输入/输出线性化模型，针对高超声速飞行器轨迹速度和高度跟踪控制问题，具体为系统存在不确定性问题和执行机构带有死区非线性问题，采用递阶滑模控制方法和非线性扰动观测器来解决以上问题，大大提高了系统的收敛速度和收敛精度并能克服执行机构死区的影响，保证控制系统的快速性和鲁棒性。

1　高超声速飞行器建模

考虑高超声速飞行器纵向运动，飞行器的控制输入为发动机节流阀开度，升降舵偏角。选定飞行的状态变量分别为：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：

发动机动力学模型为如下二阶系统：

2　纵向模型的输入输出线性化

对飞行速度和高度采用全状态反馈进行输入输出精确线性化处理，即对飞行速度，飞行高度分别进行微分，直至控制输入发动机节流阀或者升降舵偏角出现在微分式子中，要求最终的微分结果，控制输入中节流阀或者升降舵偏角的因子至少有一个不为零。当对系统输出飞行速度和飞行高度分别微分3次和4次时，能够满足以上要求，系统可被完全输入输出线性化为如下形式：

3　纵向模型的跟踪控制

3.1递阶滑模控制器的设计

终端递阶滑模可以利用递归的滑模结构处理任意相对阶次的系统，其基本思想是根据系统的相对阶次设计多层滑模面，在最后一层滑模面设计控制器，确保系统轨迹进入该层滑模面后，其他滑模面以递归结构逐层收敛，直到实现控制目标，由于每一层滑模面运动特性完全已知，因此控制结构更加清晰，系统动态过程更加明了。

3.2非线性扰动观测器的设计

对于系统在假设2成立条件下设计如下扰动观测器：

4　结论

本文对高超声速飞行器轨迹速度和高度跟踪控制问题进行研究，首先将系统纵向非线性模型输入输出线性化处理，通过设计递阶滑模控制器和设计非线性扰动观测器，来解决系统存在不确定性问题和执行机构带有死区非线性问题，通过对综合控制器的稳定性分析，得出速度和高度可分别在有限时间内跟踪期望值，最后对比仿真结果验证了本文设计的递阶滑模控制器和非线性扰动观测器能够使得系统在含有不确定项，有死区非线性的情况下，速度和高度能够在有限时间内跟踪期望值，并且具有跟踪速度快，鲁棒性强的优点。

参考文献

[1]周涛，侯明善，王冬.高超声速飞行器轨迹跟踪的反步滑模控制[J].计算机测量与控制.2014，22（7）：2063-2066.

[2]张栋，唐硕，李世珍.高超声速飞行器一体化纵向气动特性分析[J].飞行力学，2012,30（4）：328-331.

[3]耿洁，刘向东，王亮.高超声速飞行器的动态滑模飞行控制器设计[J].兵工学报，2012，33（3）：307-312.

Research on Hypersonic Flight Vehicle Hierarchical Sliding Mode Control

Ma Limin
(Military Representative Office of the people's Liberation Army in Jinzhou,121000)

Abstract：For hypersonic vehicle trajectory tracking control altitude and speed, based on the input / output linear model of longitudinal dynamics designed hierarchical sliding mode controller and nonlinear disturbance observer,there is uncertainty for problem-solving system and execute dead bodies with nonlinear problems,for the design of the controller and the observer stability analysis，And the simulation results show that the proposed method can improve the convergence rate and convergence precision of the system and can overcome the influence of the dead zone.

Keywords：Hypersonic aircraft;Nonlinear;Hierarchical sliding mode;Disturbance observer