高超声速飞行器双模预测控制与切换策略

"该文提出了一种用于高超声速飞行器的调度双模预测控制方法，旨在解决具有大包线飞行和快速时变特性的这类飞行器的控制问题。通过使用多个线性时变（LTV）多胞模型来近似描述高超声速飞行器的纵向非线性动态行为。对于每个LTV多胞模型，离线设计了局部双模预测控制器，以显式处理控制输入和状态的约束，并确定了相应的稳定域。接着，构建了一个确保各局部控制器之间稳定切换的策略。仿真结果验证了该方法在满足控制输入和状态约束的情况下，能够更快速地追踪广泛的速度和高度指令，同时显著减少在线计算时间。关键词包括高超声速飞行器、多线性时变多胞模型、双模预测控制以及切换稳定性。" 本文探讨的是高超声速飞行器的控制策略，特别是面对具有大包线飞行能力和快速变化特性的飞行器，这些特性使得传统的控制方法难以应对。高超声速飞行器在空气动力学、热力学和动态性能上具有极大的挑战，因此需要高级的控制技术来确保其飞行性能和安全。 作者采用了多线性时变多胞模型来逼近非线性的纵向动态模型，这是一种将复杂的非线性系统分解为多个简单的线性模型的策略。每个LTV多胞模型代表飞行器在不同飞行条件下的一个局部线性化模型，这种方法有助于简化控制设计过程。 针对每个LTV多胞模型，设计了局部双模预测控制器。这种双模预测控制结合了两个控制模式，可以在不同的操作条件下灵活切换，同时考虑了控制输入和状态的约束，以确保飞行器的稳定性和安全性。预测控制方法基于未来一段时间内的系统预测，通过优化控制序列来实现期望的性能目标。 此外，为了在这些局部控制器之间进行平滑且稳定的切换，作者还提出了一个切换策略。这个策略保证了在整个飞行过程中，无论是从一个局部控制器切换到另一个，都能保持系统的稳定性，避免因切换带来的不稳定性。 仿真结果证明了这种方法的有效性。在满足给定的约束范围内，该控制策略可以更快地响应速度和高度指令的变化，同时显著减少了实时计算的复杂性和时间。这对于高超声速飞行器来说至关重要，因为快速响应和低计算负荷是确保飞行器高效运行的关键因素。 这项研究为高超声速飞行器的控制提供了一种新的思路，通过双模预测控制和多胞模型的结合，实现了对复杂动态行为的有效管理和优化，为未来高超声速飞行器的设计和控制提供了理论基础和技术支持。