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应用跟踪微分器的高超声速飞行器的反演控制

TANShi-li;LEIHu-min;WANGPeng-fei

【摘要】针对存在参数摄动和外部干扰等不确定性的高超声速飞行器模型,提出一

种基于新型跟踪微分器的鲁棒反演控制方法.利用正切sigmoid函数和终端吸引子

函数设计跟踪微分器,通过扫频测试得到了参数整定规则,并进行了对比仿真试验.在

此基础上,构造一种非线性干扰观测器对模型的不确定项进行估计,增强了控制器的

鲁棒性;并利用所设计的跟踪微分器对虚拟控制量进行滤波处理,解决了传统反演控

制的“微分项膨胀”问题.最后,通过仿真校验了所设计控制器的有效性.

【期刊名称】《宇航学报》

【年(卷),期】2019(040)006

【总页数】11页(P673-683)

【关键词】高超声速飞行器;跟踪微分器;干扰观测器;反演控制;鲁棒控制

【作者】TANShi-li;LEIHu-min;WANGPeng-fei

【作者单位】;;

【正文语种】中文

【中图分类】V448

0引言

吸气式高超声速飞行器(Air-breathinghypersonicvehicle,AHV)因其广阔的军事

和民用前景，已成为世界各大国在航空航天领域竞相追逐的一个重要目标。和传统

飞行器相比，AHV具有复杂飞行环境、模型不确定性大、参数剧烈变化和耦合严

重等特性，使得AHV飞行控制器的设计面临严峻挑战[1-2]。一方面，AHV飞行

的临近空间存在非连续流体的现象，难以精确描述其气动特性，使得飞行器的建模

存在误差。另一方面，轻质材料的使用使得飞行器的气动弹性效应显著，这种弹性

形变也带来了模型的不确定性。如何避免模型不确定性对控制性能带来的不利影响

是飞控系统设计中面临的关键问题之一。

面对不确定性控制问题，控制方法必须具备很强的鲁棒性。文献[3]采用H∞鲁棒

控制方法设计了控制器，并提出了一种在线的同步逻辑更新算法求解Hamilton-

Jacobi-Isaacs等式，有效地抑制了干扰和未建模动态的影响。但是上述鲁棒控制

方法是基于小扰动线性化模型而开展控制器设计的，AHV的非线性实质和耦合被

弱化。文献[4-5]分别运用径向基神经网络和模糊逻辑系统去在线逼近模型中的不

确定项，虽然取得了较好的控制效果，但智能控制算法计算量较大且不利于工程实

践。干扰观测器技术因其物理意义明确且工程适用性强，在不确定系统的控制领域

被广泛应用。文献[6]利用超扭曲算法设计了超扭曲滑模干扰观测器，有效地获得

了干扰项的信息，且观测的误差在有限时间内收敛，符合稳定性的要求。文献[7-9]

基于滑模微分器设计了干扰观测器，对AHV的模型不确项进行平滑估计，实现了

对参考轨迹的稳定跟踪，但滑模微分器的抖振现象难以避免。文献[10]采用扩展状

态观测器(ESO)对模型中的不确定进行估计和补偿，所采用的ESO理论实质来源

于韩京清等[11]提出的基于符号函数的跟踪微分器，抖振问题较突出。文献[12]中

用于对干扰进行估计和补偿的非线性干扰观测器主要用于解决非匹配不确定性问题，

形式较为复杂，使得控制器运算的时间复杂度增大。文献[13]在线性微分器和混合

微分器等的基础上构造了一系列干扰观测器，并对比分析了对系统不确定性的估计

能力。

上述分析表明，干扰观测器是解决不确定性控制问题的有效方法，又因为跟踪微分

器(Trackingdifferentiator,TD)是干扰观测器设计的理论基础，故对跟踪微分器

的发展现状进行论述。跟踪微分器的概念最早由韩京清等[11]提出，基于最速控制

函数构造了具有纯开关形式的二阶跟踪微分器，但最速控制函数的Bang-Bang特

性使得颤振现象十分明显。随后，文献[14-15]提出了兼具线性和非线性环节的全

程快速跟踪微分器，提高了微分器的全程收敛速率，但在系统状态接近平衡点时，

非光滑分数指数环节使跟踪输出信号明显颤振。赵鹏等[16]设计了一种改进的高稳

快速跟踪微分器，在状态远离平衡点时，正奇数指数环节起主要作用，有利于微分

器的快速收敛，在状态接近平衡点时，线性环节起主要作用，从而避免了跟踪输出

颤振，但抑噪能力有限。近年来，研究热点集中在通过构造适当的加速度函数来提

高跟踪微分器的响应速度、跟踪精度和抑噪能力[17-18]。为提高跟踪速率并避免

颤振现象，要求构造的加速