单滑块滑翔飞行器跨时间尺度强耦合控制研究

Hypersonic gliding projectile belongs to multi-body system which has features of large aerospace maneuvering and fast time varying structure. The relative motion between large inertia moving mass and projectile would lead to internal momentum exchange, and then cause vibration of the projectile. Furthermore, it could make the trajectory diverge with the aerodynamic action. It is difficult to research the coupling of multi-timescale between moving mass, attitude and trajectory in the application of moving mass control. Good performance of flight would be obtained by utilizing coupling property of internal momentum exchange.. According to the performance requirement of plane-symmetry gliding projectile and the feature of moving mass control, this project will present a new Bank-to-Turn control mode with moving mass and jets. We give a splicing virtual displacement guidance law based on integrated design for three-dimensional space by utilizing the mechanical property of the total lift is perpendicular to velocity. relationship of internal momentum exchange and angle of attack can be used to modify the correction command strategy. Because of the strong coupling between moving mass and attitude, an integrated control strategy is designed by using the moving mass and attitude dynamics and kinematics. An updated servo period law will be studied to strengthen the system stability. Finally, we present an experimental program of hanging moving- mass system and study experiment about influence of the coupling. The anticipated achievement would provide technical reserves for research on moving mass flight vehicle of our country.

高超声速变质心滑翔飞行器属于大空域飞行、结构快时变多体系统：大惯量滑块与飞行器本体相对运动产生内部动量交换，引起姿态晃动，在气动力共同作用下，极易导致轨迹发散。滑块、姿态和轨迹之间存在的跨时间尺度交联耦合问题，是应用变质心技术的难点。若能充分利用内动量交换的耦合特性开展相应设计、将负面耦合转化为有利因素，则可获得良好的飞行效果。. 结合滑翔飞行技术需求和变质心控制特点，课题组提出了单滑块/滚喷BTT模式的总体方案。利用总升力方向垂直于飞行速度的力学特性，提出了面向三维空间、纵横向一体设计的拼接虚位移制导方法；探寻内动量交换和攻角之间耦合关系，设计指令修正策略。针对滑块、姿态之间耦合程度强的情况，采取了姿态/滑块集中控制策略，研究如何设计随内动量变化而变化的伺服周期调节律。提出了变质心控制悬挂体实验系统方案，对相关耦合影响进行实验研究。预期成果将为我国变质心飞行器研制提供技术储备。

结合滑翔飞行技术需求和变质心技术特点，课题组提出了单滑块/滚喷BTT模式的总体方案。利用总升力方向垂直于飞行速度的力学特性，提出了面向三维空间、纵横向一体设计的拼接虚位移指导方法：探寻内动量交换和攻角之间的耦合关系，设计指令修正策略。针对滑块、姿态之间耦合程度强的情况，采取了姿态/滑块集中控制策略，研究指令修正策略。. 在变质心飞行器动力学特性分析方面，建立了飞行器的姿态动力学模型，分析了单滑块控制下俯仰通道的动力学特性，给出了一种单滑块与非冗余RCS喷气组合的BTT控制模式，针对攻角与滑块偏转角的耦合动力学微分方程组，采用多尺度方法研究了系统内共振的动力学行为。. 在轨迹优化与制导律设计方面，提出了一种称为虚拟运动伪装（VMC）的仿生算法以大幅度减小飞行器再入轨迹优化问题的维度以及运算量，提出了拼接平衡滑翔轨迹设设计方法，以解决高超声速滑翔飞行器的突防规避问题。此外，以再入飞行器打击地面运动目标为背景，研究了能保证在达到期望弹目距离前收敛的制导律，以及基于自适应伪谱法将再入体的抛射状态和控制序列进行了优化。. 在姿态/伺服控制开发、跨时间尺度总体参数/制导控制综合设计方面，基于滑模控制理论及最新发展起来的L1自适应方法设计了滚转通道的状态反馈姿态控制器；基于动态逆理论及L1自适应技术设计了纵向通道的自适应控制器。针对强耦合非线性动力学系统，将非线性耦合项和未建模扰动视为总扰动，设计了一种线性扰动观测器对其进行估计，然后利用反馈线性化控制进行补偿。此外还进行了气动辨识工作。. 依托本课题，已完成博士论文3份，硕士论文3份；共发表SCI、EI检索的学术论文20篇，其中SCI检索12篇。上述成果将为我国质量矩导弹的研制提供理论储备。

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