Tracking control for air-breathing hypersonic cruise vehicle based on tangent linearization approach

This paper is focused on developing a tracking controller for a hypersonic cruise vehicle using tangent linearization approach.The design of flight control systems for air-breathing hypersonic vehicles is a highly challenging task due to the unique characteristics of the vehicle dynamics.Motivated by recent results on tangent linearization control,the tracking control problem for the hypersonic cruise vehicle is reduced to that of a feedback stabilizing controller design for a linear time-varying system which can be accomplished by a standard design method of frozen-time control.Through a proper model transformation,it can be proven that the tracking error of the designed closed-loop system decays exponentially.Simulation studies are conducted for trimmed cruise conditions of 110000 ft and Mach 15 where the responses of the vehicle to step changes in altitude and velocity are evaluated.The effectiveness of the controller is demonstrated by simulation results.

基于状态重构的吸气式高超声速飞行器鲁棒反演控制

针对吸气式高超声速飞行器参数不确定弹性体模型,仅考虑速度、高度和俯仰角速度可测的情况,提出了一种基于状态重构的鲁棒反演控制器设计方法。首先,将被控对象模型表示为严格反馈形式,分别采用动态逆和反演设计实际控制律和虚拟控制律;其次,引入反正切跟踪微分器来简化虚拟控制律求导运算,并用于对弹道角和攻角进行状态重构;最后,为了保证反演控制器的鲁棒性,基于非线性-线性跟踪微分器,设计了一种新型非线性干扰观测器,可实现对模型不确定项的精确估计和补偿。仿真结果表明,所提策略取得了较高的状态重构精度,控制器能够克服模型不确定项的影响,且能保证速度和高度对参考输入的稳定跟踪。

基于SMDO-TLC的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器快时变、强耦合以及存在参数不确定和外部干扰情况下的姿态控制问题,同时考虑到执行机构动态和输入受限,提出了基于滑模干扰观测器-轨迹线性化(SMDO-TLC,Sliding-Mode Disturbance Observer-Trajectory Linearization Control)的高超声速姿态控制方法.首先,引入二阶线性微分器(SOLD,Second-Order Linear Differentiator)的概念,通过理论分析指出了当前TLC中采用一阶惯性+伪微分器求取输入指令的微分信号时会存在与SOLD类似的峰值现象,随后利用韩式跟踪微分器求取姿态标称指令及其微分信号,可有效解决过渡过程中执行机构饱和问题;接着,分别在姿态和角速率回路设计二阶滑模干扰观测器,利用符号函数积分来重构内外回路的复合干扰,在此基础上设计补偿控制律,以实现姿态控制器设计.仿真结果表明,所提出的方法能够克服时变干扰及气动参数大范围摄动的影响,同时兼具良好的动态特性与静态品质,能够满足高超声速飞行器的快时变、高精度以及强鲁棒的控制需求.

基于RLESO的高超声速巡航飞行器跟踪控制器设计

针对高超声速巡航飞行器的强非线性、强耦合、快时变以及不确定性等特性,文章设计了一种基于降阶线性扩张状态观测器的自抗扰跟踪控制器。其将高超声速巡航飞行器的纵向平面运动模型分为速度回路和高度回路,对各回路分别设计辅助状态变量以简化跟踪控制器的设计过程;在此基础上,对两个回路分别设计基于降阶线性扩张状态观测器的自抗扰跟踪控制器来获得满意的控制性能。仿真结果表明,相比于常规的线性自抗扰跟踪控制器,以降阶线性扩张状态观测器为基础的自抗扰跟踪控制器能够以更快的速度跟踪上系统的期望输入,且超调量更小。