一類高超聲速飛行器的模型及開環響應研究

雷軍委 叢曉 陳黎明 李恒

摘 要：本文針對一類國外通用的高超聲速飛行器俯仰通道非線性模型，通過合理設置參數，研究了其開環響應，得到了系統在開環無控情況下，飛行器短時間內的運動軌跡，從而對動態模型的正確性與合理性進行初步預估與判斷，并為模型中發動機參數的合理性進行初步校驗，為下一步進行高超聲速飛行器控制與仿真研究提供模型校驗基礎。

關鍵詞：高超聲速;模型;穩定性;飛行器;開環響應

中圖分類號：V211;TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0083-02

0引言

高超聲速飛行器由于其在軍事上的重要戰略意義，已經引起了世界主要軍事大國的密切關注與持續研究[1]。然而由于速度超過5馬赫帶來的系列熱的問題、制導精度問題、控制問題等等，使得其研究難度不僅體現在理論上，尤其體現在工程實踐上。其中首要的重中之重在一模型研究，其是高超聲速控制的理論基礎，也是一直都是高超聲速研究的重點與難點。除了原始模型與氣動參數的真實性外，對于建模的方式，目前國內外不同研究機構的研究結果也各有不同[2-3]。而在確定的全彈道模型基礎上，對于工程師來說，如何對模型進行簡化處理，也是一個非常關鍵的問題。從全彈道模型經過不同的簡化方式，得到的俯仰通道模型也各有不同。如果不進行模型簡化處理，對進行控制器設計工作來說是難度很大的，有時即使是有經驗的理論工作者也無從下手。而過于簡化，也會帶來簡化后的模型無法代表高超聲速模型的動態特性的問題。本文首先針對一類比較簡單的俯仰通道高超聲速簡化模型，其阻力與力矩與攻角的二次方有關，而且關系均為線性，同時與速度的鉸鏈也較小，不考慮彈性模態的形變影響，進行其開環響應研究，以初步了解該高超聲速模型的動態特性。

1模型描述

2模型參數設置與開環響應分析

為了進行系統的開環仿真，首先設置模型參數如下：

進行開環仿真的先決調節是系統無控，由于我們僅對俯仰通道的模型進行校驗判別，因此設置舵偏，編寫程序并運行，得到相關飛行仿真曲線如圖1～圖6。

3結論

從以上仿真曲線可以看出，該模型的攻角跟蹤控制器是開環自穩定的，因此此模型的控制難度小，而且基于供油因子的速度PID控制器也是有效的。進一步觀察其平飛攻角大約在2°，因此此時升力與重力平衡，飛行器的高度基本不變，速度傾角趨于0°，而姿態角趨于2°。當然，可以進一步設計速度控制器，使得發動機工作更連續，而使升阻力比更為正常。從上述開環響應可以初步判斷，整個模型是合理有效的，從而為下一步控制算法仿真打下堅實的基礎。

參考文獻

[1] 錢承山，吳慶憲，姜長生，等.空天飛行器再入姿態模糊切換多模型控制[J].系統工程與電子技術，2007，29（11）：1912-1916.

[2] 黎科峰，宋劍爽，任章，等.基于模糊邏輯的再入RCS控制方法[J].北京航空航天大學學報，2008，34（12）：1407-1410.

[3] 周麗.基于回饋遞推方法的近空間飛行器魯棒自適應控制[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[4] 張浩華.基于高超聲速飛行器縱向模型的及抗飽和魯棒控制研究[D].南京：南京理工大學，2008.

[5] 高志峰.復雜系統的容錯控制技術及其在近空間飛行器中的應用研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.