一种考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和LPV控制方法

本发明涉及宽速域飞行器建模控制领域，尤其涉及一种考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模方法和基于间隙度量理论的多胞lpv控制方法。

背景技术：

1、宽速域飞行器是一个多自由度、强耦合的复杂非线性系统，由于飞行速度跨度很大，通常在0-15ma之间,不同飞行状态对应的气动参数变化很大，尤其在高超声速飞行过程中，飞行器周边的气流会发生强烈的气动加热效应，导致机体的刚度降低，飞行器的机身产生一定程度的弹性形变，机身结构的变化导致作用在飞行器上的气动力和力矩发生变化。

2、由于结构材料的温度效应使材料特性发生变化，以及由于结构受热产生的热应力，都会对结构动力学特性产生影响；反过来，飞行器结构及表面的气动热效应也会对流场的热动力学和输运特性产生明显的影响，这就是宽速域飞行器高速飞行时的热弹性问题。由此可见宽速域飞行器的弹性机体、推进系统和结构动力学是高度耦合的。

3、由于宽速域飞行器飞行包线大、参数变化快、非线性强等原因，控制器的设计一直是一个具有挑战性的难题。现有的非线性控制系统的方法在其理论上有很大优点，但设计过程复杂不利于工程实现。而传统的线性控制方法，如增益调参方法易于实现，但面对大飞行包线的宽速域飞行器，无法实现全包线的稳定性和性能指标。线性变参数(lpv)控制是一种新颖的增益调度技术，本质上是非线性系统的一种近似方法，lpv系统依赖于未知的但是实时可测的时变参数，能够为增益调度策略提供实时系统参数信息，通过反馈的方式提高闭环系统的性能。lpv的表达形式并不是唯一的，不同的多胞形表示将对系统稳定分析和控制器综合带来不同的结果。面对宽速域飞行器飞行包线大的特点，单一的lpv控制器性能无法实现全包线飞行状态的稳定，有学者将lpv控制方法与切换控制理论结合，提出了基于参变李雅普诺夫函数的切换lpv控制方法，但此方法需要求解无穷多组线性矩阵不等式(lmi)，随着飞行包线的增大，需求解的lmi将呈级数增加。在对原非线性系统进行逼近时，平衡点的个数越多就越逼近原非线性系统，但计算越复杂，需要合理选择平衡点的设计方法，以达到模型相似度和复杂度的折忠。

技术实现思路

1、本发明提出了一种考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和线性变参数(lpv)控制方法。该方法将考虑热弹性形变对宽速域飞行器气动结构的影响，采用拉格朗日方程理论对飞行器的刚体动力学方程和弹性体动力学方程进行推导，从而得到能够反映刚体动力学与弹性动力学之间的耦合的宽速域飞行器动力学模型。将宽速域飞行器的全包线划分为几个相互重叠的子区域，采用间隙度量法设计多胞lpv模型，为每个子区域单独设计控制器，并采用基于重叠区域的滞后切换lpv控制方法抑制切换子控制器时的抖动。

2、本发明提供了一种考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其包括：

3、步骤1：基于拉格朗日力学分析法，计算宽速域飞行器的运动方程，宽速域飞行器的运动方程包含刚体动力学方程、刚体运动学方程和弹性运动学方程；

4、步骤2：结合弹性运动方程，分析弹性模态的自由振动以及弹性形变对飞机迎角以及升降舵偏转角的影响，建立宽速域飞行器的弹性结构模型；

5、步骤3：根据宽速域飞行器的弹性结构模型，将弹性模态对气动性能的影响考虑到气动力及力矩模型的解算中，得到基于弹性模态耦合下的气动力及力矩模型；建立宽速域飞行器的发动机推力模型；综合以上得到考虑热弹性耦合状态下的宽速域飞行器动力学模型；

6、步骤4：步骤3所建立的动力学模型为非线性动力学模型，利用雅克比线性化方法建立lpv模型，针对高超声速飞行器宽速域的特点，将飞行包线划分为不同子区域，采用间隙度量理论设计多胞lpv模型，并为不同子区域独立设计控制器；

7、步骤5：利用基于重叠区域的滞后切换策略实现子控制器之间的切换，以抑制到达切换面时的抖动。

8、与现有技术相比，本发明的优点在于：

9、通过考虑弹性振动及弹性形变对于飞行器气动参数的影响，能够得到包含刚体动力学与弹性动力学之间的耦合的飞行器力学模型，提高了模型的精确度，从而为后续控制仿真分析提供设计基础。将宽速域飞行器大包线划分为互相重叠的子区域，在每个子区域内设计lpv模型时，采用间隙度量理论较好的保证了所设计的lpv模型与顶点lpv模型的相似程度，进一步保证了控制器的性能，重叠区域的存在也能减少切换控制器时的抖动。

技术特征：

1.一种考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：基于拉格朗日力学方程建立宽速域飞行器的刚体动力学方程、刚体运动学方程与弹性运动学方程；刚体动力学方程包括质心运动和姿态运动的动力学方程，刚体运动学方程包括质心运动和姿态运动的运动学方程；

3.根据权利要求1所述的考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：分析由热弹性带来的弹性振动以及弹性形变对飞行器迎角以及升降舵偏转角的影响；飞行器机头处的弹性形变偏转角视为飞行器的迎角发生了δα(s)的改变，飞行器尾部的弹性形变偏转角视为飞行器的升降舵偏转角发生了δδe(s)的改变；结合弹性形变运动学方程、振型函数，迎角和升降舵的弹性形变角度变化表示为：

4.根据权利要求1所述的考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其特征在于，所述步骤3具体为：计算飞行器纵向和横侧向模态的气动导数，气动导数包含升力系数cl、阻力系数cd、侧力系数cy、滚转力矩系数cl、俯仰力矩系数cm以及偏航力矩系数cn，气动导数的计算方法如下：

5.根据权利要求1所述的考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

6.根据权利要求5所述的考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和lpv控制方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

技术总结
本发明为一种考虑热弹性影响的宽速域飞行器建模和LPV控制方法。本发明通过分析热弹性导致的弹性振动以及弹性形变对飞行器结构以及气动参数的影响，建立宽速域飞行器的弹性结构模型。并将弹性结构模型应用到刚体气动力及力矩模型的计算中，从而得到包含弹性状态、并能反映刚体动力学与弹性动力学之间的耦合的动力学模型，从而为后续相关控制设计提供依据。将宽速域飞行器的全包线划分为几个相互重叠的子区域，采用间隙度量法设计多胞LPV模型，为每个子区域单独设计控制器，并采用基于重叠区域的滞后切换LPV控制方法抑制切换控制器时的抖动。

技术研发人员：赵文杰,戴玉娇,陈征,邵雪明,黎军
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1