近空间高超声速飞行器运动控制仿真方法

摘要

本发明公开一种近空间高超声速飞行器的控制仿真方法，包括如下步骤：(1)建立飞行器在变化风场条件下的运动模型；(2)建立所述近空间高超声速飞行器的发动机推力模型；(3)建立与运动模型和推力模型相关的气动参数库和发动机参数库；(4)根据不同的任务要求，基于运动模型设计姿态稳定跟踪控制律及重心运动控制律；(5)实时计算当前状态下的大气数据和风场数据，并据此以及所设计的控制律计算飞行器的各个状态，重复此步骤直至仿真结束。此种仿真方法在充分剖析近空间高超声速飞行器的动力学和运动学规律的基础上，结合发动机推力模型和大气风场环境的实际情况，提出一整套在变化风场环境下的近空间高超声速飞行器的运动模型。本发明还公开一种基于该飞行器的控制仿真平台。

主权项

1.一种近空间高超声速飞行器运动控制仿真方法，其特征在于包括如下步骤：(1)建立飞行器在变化风场条件下的运动模型：其中，x_g、y_g和z_g分别为飞行器在地面坐标系中三个方向的位置，V_a为飞行器对空速度，γ_a为航迹倾斜角，χ_a为航迹方位角，α为迎角，β为侧滑角，μ_a为航迹滚转角，p_k、q_k和r_k为飞行器相对地面坐标系的转动角速度矢量在机体坐标系上的分量，T_xb、T_yb和T_zb分别为推力T在机体坐标系三个方向上的分量，D为阻力，Y为侧力，L为升力，l_A0、m_A0和n_A0为气动力矩，分别为滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩，l_C、m_C和n_C为操纵面动作所产生的控制力矩，Δl_A、Δm_A和Δn_A是由风场引起的不确定力矩，I_x、I_y和I_z为飞行器的惯性矩，M为飞行器总质量，g为重力加速度，u_wg、v_wg和w_wg是风速矢量V_w在地面坐标系上的分量；(2)建立与所述近空间高超声速飞行器匹配的发动机推力模型，单台发动机估算模型为其中，为动压，C_T为推力系数，为发动机中燃料流速，推力T和比冲量I_sp是与马赫数Ma、燃料当量比η相关的函数；此外，发动机系统采用具有推力矢量控制的变推力组合发动机系统，采用“X”型发动机配置，即同时安装4台相同的摆动发动机，它们可分别沿切线方向摆动，定义发动机推力矢量等效偏转角δ_x、δ_y、δ_z，沿机体坐标系三轴方向的推力分量和推力力矩可简化为T_xb＝4F_c＝T             (18)其中，F_c为单台发动机推力，X_rc为发动机推力作用线与机体纵轴距离，X_m为质心到前缘的距离，X_T为主发动机推力中心到前缘距离；(3)建立与运动模型和推力模型相关的气动参数库和发动机参数库；(4)根据不同的任务要求，基于运动模型设计姿态稳定跟踪控制律及重心运动控制律；(5)实时计算当前状态下的大气数据和风场数据，并据此以及所设计的控制律计算飞行器的各个状态，重复此步骤直至仿真结束。