一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法

本发明涉及飞行器制导控制领域，具体为一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法。

背景技术：

1、高超声速飞行器(飞行速度大于5倍马赫数)在临近空间机动飞行，飞行器表面与外界大气环境发生复杂的气动耦合加热效应，贴近飞行器表面的流体分子在高温作用下发生电离、解离等复杂物理化学反应，形成非均匀的等离子体薄层包裹在飞行器表面，即所谓的“等离子体鞘套”。等离子体鞘套显著改变了飞行环境的物理与化学性质，给飞行安全带来巨大挑战。由于等离子体鞘套具有特殊的电磁介质特性，电磁信号将发生截止、吸收、反射、折射等现象，造成飞行器在高速飞过大气层时微波通讯不能正常工作，从而影响飞行器的导航、通信。在临近空间飞行，飞行器舵面效率的降低同样给飞行安全带来巨大挑战。高超声速飞行器飞行过程，发生了热化学非平衡、能量激发、辐射、烧蚀、能量模式之间的耦合等过程。这些过程中整个等离子体具有高温、高超声速流场、多组分气体混合场、热化学非平衡场、不同能量模式场、扩散、热传导过程等多场耦合效应。

2、为了提升高超飞行器在临近空间飞行的安全性和可靠性，降低等离子鞘套对飞行器的影响，早在上世纪90年代，各国研究者就磁流体力学(magneto hydrodynamic,mhd)控制技术展开研究，相关技术已在磁流体发电、磁流体能量分流以及高超声速飞行器进气道流动控制等领域得以应用。在飞行器内部埋入磁场发生器，通过控制磁场与外部流体的相互干扰，实现飞行器表面等的流动控制，达到降低飞行器表面阻力、提升机动性能的目的。等离子激励装置，是另外一种布置在飞行器表面可以产生等离子体的装置，通过施加一定的能量激励，向外界飞行环境释放出大量带电体离子，带电离子与外界高温气体综合作用，改变飞行器外部流场结构，优化飞行器气动升力和阻力特性，从而解决高超飞行器舵面效率降低问题，有效提升高超飞行器的机动性和飞行安全性。虽然通过一定的磁流体控制技术能够实现飞行器性能的提升，考虑到飞行器常规执行机构为气动舵面和航空发动机，如何实现将等离子体激励装置与常规执行机构高效融合，进而充分发挥各执行机构的效能优势，是目前需要解决的关键科学问题之一，基于此，本发明提出了一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，包括如下步骤：

3、步骤s1，建立飞行器纵向运动平面动力学模型；

4、步骤s2，面向控制的纵向运动平面模型转换；

5、步骤s3，建立等离子体激励装置的等效舵面模型；

6、步骤s4，非线性干扰观测器的设计；

7、步骤s5，基于扰动观测器的速度控制律设计；

8、步骤s6，基于扰动观测器的高度控制律设计；

9、步骤s7，控制算法的有效性验证。

10、优选的：所述步骤s1基于飞行器所受外力以及绕质心转动关系等，高超飞行器纵向运动平面模型如下，

11、

12、其中m,h,v,α,θ,q和jy分别为飞行器质量、飞行高度、速度、攻角、弹道倾角、俯仰角速率和绕弹体y轴转动惯量，t,l,d,mt分别为发动机推力、气动升力、阻力和俯仰力矩，具体表达式为，

13、

14、其中ct,cl,cd,cm为发动机推力系数、升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数，数值与发动机阀门开度δt′、飞行攻角α、俯仰舵面偏角δz′有关，分别为动压、发动机推力参考面积、气动力参考面积、发动机推力到飞行器力矩参考点距离和气动力矩长度。

15、优选的：所述步骤s2面向控制的纵向运动平面模型转换后的高超声速飞行器纵向运动平面模型为，

16、

17、优选的：所述步骤s3的等离子体激励装置，其升力系数增量与等离子体激励装置的功率p、组数n之间有如下关系

18、

19、其中δcl为升力系数增量，单位为％，n为激励装置组数，p为激励功率，存在等离子体激励装置条件下，飞行器推力、升阻力和力矩系数式(4)修改为，

20、

21、其中为等离子体激励装置距飞行器力矩参考点长度，定义如下等效舵偏，

22、

23、存在等离子体激励装置下，高超飞行器纵向运动平面模型(13)修改为，

24、

25、模型(17)中其他变量定义与模型(13)相同。

26、优选的：所述步骤s4非线性干扰观测器设计考虑如下不确定性动力学系统，

27、

28、其中v(t)∈r为系统状态变量，f(t),g(t)为连续函数，d(t)为系统不确定性扰动，u(t)为系统输入变量，针对不确定性系统(21)，设计的非线性干扰观测器如下，

29、

30、其中分别为系统状态v(t),d(t)的估计值，若r→+∞，则有

31、

32、优选的：所述步骤s5速度控制律设计为，

33、

34、其中，kv1,kv2为待设计参数，为采用如下非线性干扰观测器ndo对噪声dv的估计值，

35、

36、其中，rv,av1,av2∈r+为待设计参数，为v的估计值。

37、优选的：所述步骤s6高度控制律设计为高度子系统设计两个中间虚拟控制律及最终的实际控制律，实现对高度的保持和跟踪，其中一个虚拟控制律θ设计为，

38、

39、其中，kγ1,kγ2为待设计参数，为采用如下非线性干扰观测器ndo对噪声dγ的估计值，

40、

41、其中，rγ,aγ1,aγ2∈r+为待设计参数，为γ的估计值，另外一个虚拟控制律q设计为，

42、

43、其中，kθ1,kθ2为待设计参数，实际控制律设计为，

44、

45、其中，kq1,kq2为待设计参数，为采用如下非线性干扰观测器ndo对噪声dq的估计值，

46、

47、其中，rq,aq1,aq2∈r+为待设计参数，为q的估计值。

48、本发明相较于现有技术，其有益效果为：

49、1)在给定等离子体激励功率和组数条件下，可实现从等离子体激励装置到气动舵面的等效转化；

50、2)与常规飞行器动力学模型相比，本发明额外考虑了等离子体激励装置作为执行机构，有效缓解了高超飞行器在大空域飞行中存在的舵面操纵效率低等问题；

51、3)结合非线性反演控制理论和干扰观测器方法，实现了带有等离子体激励装置的飞行器在巡航段高精度轨迹跟踪控制。

技术特征：

1.一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s1基于飞行器所受外力以及绕质心转动关系等，高超飞行器纵向运动平面模型如下，

3.根据权利要求2所述的一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s2面向控制的纵向运动平面模型转换后的高超声速飞行器纵向运动平面模型为，

4.根据权利要求3所述的一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s3的等离子体激励装置，其升力系数增量与等离子体激励装置的功率p、组数n之间有如下关系

5.根据权利要求4所述的一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s4非线性干扰观测器设计考虑如下不确定性动力学系统，

6.根据权利要求5所述的一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s5速度控制律设计为，

7.根据权利要求6所述的一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤s6高度控制律设计为高度子系统设计两个中间虚拟控制律及最终的实际控制律，实现对高度的保持和跟踪，其中一个虚拟控制律θ设计为，

技术总结本发明涉及飞行器制导控制领域，公开了一种带有等离子体激励装置的高超飞行器巡航段跟踪控制方法，包括如下步骤，步骤S1，建立飞行器纵向运动平面动力学模型；步骤S2，面向控制的纵向运动平面模型转换；步骤S3，建立等离子体激励装置的等效舵面模型；步骤S4，非线性干扰观测器的设计；步骤S5，基于扰动观测器的速度控制律设计；步骤S6，基于扰动观测器的高度控制律设计；步骤S7，控制算法的有效性验证，本发明额外考虑了等离子体激励装置作为执行机构，有效缓解了高超飞行器在大空域飞行中存在的舵面操纵效率低等问题，并结合非线性反演控制理论和干扰观测器方法，实现了带有等离子体激励装置的飞行器在巡航段高精度轨迹跟踪控制。技术研发人员：宋申民,李建锋,韦生辉受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27