[發明專利]一種利用耦合的面對稱高超聲速飛行器橫側向控制方法及控制系統

在審

• 申請號: 201811631938.8
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109782795A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 孫春貞
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

本發明公開了一種利用耦合的面對稱高超聲速飛行器橫側向控制方法及控制系統，包括(1)獲得面對稱高超聲速飛行器機載傳感器的測量信息；(2)分析高超聲速飛行器橫側向的滾擺比特性和荷蘭滾耦合模態的穩定特性；(3)分析高超聲速飛行器副翼操縱時的控制耦合模態特性；(4)反饋滾轉角速率到副翼改善荷蘭滾阻尼特性；(5)反饋側滑角速率到方向舵改善荷蘭滾耦合模態的阻尼特性，抑制運動耦合影響；(6)反饋側滑角偏差到方向舵，改善荷蘭滾耦合模態的穩定特性；(7)反饋滾轉角偏差到側滑角指令，利用荷蘭滾耦合，實現滾轉控制。本發明降低了耦合控制對氣動舵面操縱能力的需求，減輕了飛行器總體設計的壓力。

技術領域

本發明涉及高超聲速飛行器控制技術，特別是涉及一種利用耦合的面對稱高超聲速飛行器橫側向控制方法及控制系統。

背景技術

高超聲速飛行器采用面對稱布局和高升阻比外形，具有飛行速度快、飛行距離遠、機動能力強、突防概率高的特點，以獨特的優勢在現代戰爭的遠程突防中具有重要的地位，受到世界各國的高度重視。2010年，美國先后發射了HTV-2、X-37B和X-51A三種不同用途的高超聲速飛行器，這三次高密度的飛行試驗，引起了全世界范圍內的密切關注，掀起了高超聲速飛行器研制的又一輪高潮。在這種發展趨勢推動下，開展高超聲速飛行器控制相關的理論與方法研究，無論在理論上還是在工程都具有重要的意義。

由于超高的飛行速度和復雜的飛行環境，高超聲速飛行器具有明顯區別與傳統飛行器的特點，使得飛行控制面臨著許多傳統飛行器所未曾遇到的控制難題。與傳統的飛行器相比，高超聲速飛行器馬赫數、迎角、高度、動壓變化范圍很大，不穩定性、強耦合性、強非線性、強不確定性相互疊加，嚴重影響了飛行器的穩定性，尤其是在大迎角飛行時，三通道耦合嚴重，并且橫航向表現為嚴重的非最小相位特性，這對控制系統的設計提出了嚴重的挑戰。

目前，針對面對稱飛行器三通道耦合問題，大多采用解耦控制，但是高超聲速飛行器由于空域和速域跨度大，在不同的動壓區域，操縱能力差異大，尤其是在大迎角飛行時舵面操縱能力不足，很難直接進行解耦控制。因此，急需針對高超聲速飛行器開展新的耦合控制技術研究。

發明內容

發明目的：針對面對稱高超聲速飛行器偏航與滾轉通道之間存在的荷蘭滾耦合和橫側向控制耦合模態，結合飛行器的大滾擺特性和滾轉控制偏離特性，提出了一種利用耦合的面對稱高超聲速飛行器橫側向控制方法及控制系統，降低了耦合控制對氣動舵面操縱能力的需求,減輕了飛行器總體設計的壓力。

技術方案：為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案：

一種利用耦合的面對稱高超聲速飛行器橫側向控制方法，包括以下步驟：

(1)獲得面對稱高超聲速飛行器機載傳感器的測量信息；

(2)分析面對稱高超聲速飛行器橫側向的滾擺比特性和荷蘭滾耦合模態的穩定特性；

(3)分析面對稱高超聲速飛行器副翼操縱時的控制耦合模態特性；

(4)根據步驟(2)和步驟(3)的分析結果，反饋滾轉角速率到副翼改善荷蘭滾阻尼特性；

(5)在步驟(4)的基礎上，反饋側滑角速率到方向舵改善荷蘭滾耦合模態的阻尼特性，抑制運動耦合影響；

(6)反饋側滑角偏差到方向舵，改善荷蘭滾耦合模態的穩定特性；

(7)反饋滾轉角偏差到側滑角指令，利用荷蘭滾耦合，實現滾轉控制。

進一步的，步驟(1)中傳感器的測量信息包括滾轉角φ、滾轉角速率p、偏航角速率r、迎角α和側滑角β，并利用滾轉角速率p、偏航角速率r和迎角α信息，計算當前狀態下側滑角速率的近似值為：

進一步的，步驟(2)中荷蘭滾耦合模態的穩定導數的計算公式為：