变质心飞行器控制方法研究

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘 要

变质心飞行器与其他类型飞行器相比，气动外形简单且避免了舵面烧灼等问题，因此受到了国内外广泛关注。针对这类飞行器，设计出具有良好机动性、控制精度高、响应速度快和鲁棒性强的控制器也成为了现在的飞行器姿态控制方法中的研究热点问题。在此背景下，本文对变质心飞行器的姿态控制律设计方法进行了深入研究，具体研究工作如下：

首先，针对变质心飞行器建立数学模型。飞行的动力学方程和运动学方程是可以代表飞行器运动的数学模型，利用该模型可以对飞行器进行分析和模拟。该数学模型一般使用非线性的微分方程组来表达。在推导出动力学和运动学模型的基础上，本文针对设计中会用到的辅助模型也进行推导。

然后，对变质心飞行器姿态控制的方法进行研究。由于本文研究的变质心飞行器为只对滚转通道进行控制，俯仰通道以及偏航通道不施加主动控制，所以控制器的输出为滚转角。此外，由于变质心飞行器具有不确定性，并且执行机构存在摄动，因此控制方法研究过程中需要把其不确定性和摄动也考虑进去。针对这个问题，本文采用自适应滑模控制方法与退步法相结合，给出了飞行器滚转通道控制器，通过MATLAB仿真分析，验证其鲁棒性和稳定性。

最后，对控制器参数优化方法进行研究。将姿态控制问题转换为一般最优控制问题，利用直接法，即数值法对该最优问题进行求解。对控制量各状态量参数化，选取配置点并且在该点对控制量和状态量进行离散化处理。选用高斯伪谱法实现了控制器参数的优化，利用MATLAB仿真分析验证了利用高斯伪谱法可以实现燃料最优和调整时间最优的控制方法。

关键词：变质心控制；自适应滑模控制；高斯伪谱法；参数优化

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