一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法

本发明属于吸气式高速飞行器纵向巡航段控制器设计领域，更具体地，涉及一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法。

背景技术：

1、空间飞行器近年来受到航空航天单位与太空探索公司的关注。由超燃冲压发动机提供推力的高速飞行器被业界认为是一种可靠、高效、经济的新兴技术。该类飞行器通过吸入气流提供燃烧所需的氧气，在飞行过程中无需携带氧化剂，提高了有效载荷。同时，采用乘波体机身结构提供飞行升力，降低了运输成本。然而，在吸入气流的过程中，需要保障超燃冲压发动机进气道的外部进气条件。具体来说，安全控制要保证飞行器的飞行速度与攻角在一定的安全约束内，使得发动机进气道一直保持启动状态。一般而言，高速飞行器的速度安全约束可以简单地通过高精度跟踪参考指令实现，但是攻角的安全约束问题处理较为困难。由于攻角作为纵向机体参考线与来流方向的夹角，广泛地影响着气动力与力矩的作用，因此在满足安全约束的同时，它还必须配合飞行器的纵向机动需求，统筹跟踪控制性能与系统安全两大要素，这对于飞行控制器提出了新的问题与挑战。

2、飞行安全的首要前提是保障飞行器在轨迹跟踪过程中的控制稳定性。然而，吸气式高速飞行器先进的气动外形以及机身-推进装置一体化的设计造成其数学模型的高度非线性与强耦合特性，此外气动参数的摄动与外部环境的不确定性为控制器设计进一步增添了难度。为解决这些问题，现有的高速飞行器控制方法着重关注飞行控制器的鲁棒性与跟踪性能，如反馈线性化控制、动态逆控制、滑模控制、自抗扰控制、有限时间控制等等。这些方案在一定程度上能够解决飞行器的轨迹跟踪控制与稳定性问题，但是并没有考虑安全约束，无法同时满足飞行器控制性能与进气道安全的需求。

3、在控制稳定性的基础上，现有的预设性能控制方法与基于障碍李雅普诺夫函数的控制方法常用来解决高速飞行器的控制约束问题。这类方法的一般思路一般分为两步：首先通过人为约束构建一条保守的安全参考指令，再将安全约束问题转化为保性能的误差跟踪问题，通过预设性能控制方法与基于障碍李雅普诺夫函数的控制方法对跟踪误差进行强制约束，确保跟踪误差被严格地约束在预设的误差带内。

4、尽管现有方法能够直接获得符合安全约束的可行解，但依然存在一些问题需要改进优化。一方面，预设性能控制方法与基于障碍李雅普诺夫函数的控制方法以人为预设的误差带作为约束边界而不是采用原安全问题中的安全约束边界。对于优化问题而言，这在一定程度上缩小了解的搜索范围。另一方面，对于带有未知不确定的飞行器系统，很难准确地提前预设绝对安全的指令与误差带。因此，这些需要离线预设环节的人为设计普遍具有一定的保守性。此外，采用障碍函数强制保障误差精度在不确定环境下极有可能造成控制的振荡甚至会造成输入饱和现象。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法，在吸气式高速飞行器轨迹跟踪过程中，基于控制障碍函数与自适应动态规划，在保障超燃冲压发动机进气道外部进气条件下，能够进一步优化性能的控制器设计。

2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法，包括：

3、s1，根据飞行器的动力学方程及跟踪误差，构建所述飞行器的有限时间跟踪控制器；

4、s2，根据攻角a的安全约束确定安全约束函数以构建控制障碍函数

5、其中，为平衡攻角，

6、

7、s3，在所述控制器的攻角控制通道中加入以对控制器进行修正，基于所述修正后的控制器对飞行器的速度和高度进行控制；

8、其中，eα为攻角的跟踪误差，分别为评价神经网络的观测权值和激活函数；所述评价神经网络用于观测σ的值函数，以得到的近似最优解。

9、按照本发明的第二方面，提供了一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；

10、所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

11、所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行如第一方面所述的方法。

12、按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如第一方面所述的方法。

13、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

14、本发明以优化的角度来统筹高速飞行器的跟踪性能与安全需求，提供了一种基于控制障碍函数与自适应动态规划考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法，该方法首先将高速飞行器的非线性耦合模型转化为面向控制的标准形式，建立了基于扰动观测器与滤波器的实际有限时间跟踪控制器，确保飞行器的控制稳定性；其次，针对高速飞行器的安全约束与动力学特征建立安全集描述高速飞行器进气道安全条件，并构建了一种控制障碍函数用于保障安全集的前向不变性；为了使障碍函数在达成安全条件的过程中付出尽可能小的控制性能代价，采用基于自适应动态规划的优化方法，通过扩张状态空间将控制障碍函数作为安全因素引入最优化方程，能够全面地统筹跟踪性能、输入代价与安全约束的值函数描述最优化问题。为节约计算成本，通过设计单一评价神经网络逼近最优控制律，在保障系统安全的前提下优化控制性能。

技术特征：

1.一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3包括：

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s1包括：

4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述飞行器的有限时间跟踪控制器为：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，修正后的控制器为：

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述二阶超螺旋类扰动观测器为：

7.如权利要求3或6所述的方法，其特征在于，所述一阶跟踪滤波器为：

8.一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种考虑进气安全的高速飞行器优化控制方法，该方法首先将高速飞行器的非线性耦合模型转化为面向控制的标准形式，建立有限时间跟踪控制器，确保飞行器的控制稳定性；其次，针对高速飞行器的安全约束与动力学特征建立安全集描述高速飞行器进气道安全条件，构建控制障碍函数用于保障安全集的前向不变性；为了使障碍函数在达成安全条件的过程中付出尽可能小的控制性能代价，通过扩张状态空间将控制障碍函数作为安全因素引入最优化方程，构建了一种能够全面地统筹跟踪性能、输入代价与安全约束的值函数描述最优化问题。为节约计算成本，通过设计单一评价神经网络逼近最优控制律，在保障系统安全的前提下优化控制性能。

技术研发人员：樊慧津,韩潇,刘磊,王博,职永然,刘永雄
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14