传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ２０１８年第３７卷第９期
ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００—９７８７（２０１８）０９—０１０８—
０４变几何进气道吸气式高超声速飞行器控制系统设计
*苏沛华，毛 奇（天津大学电气自动化与信息工程学院，天津３０００７２）
摘 要：建立了变几何进气道吸气式高超声速飞行器（ＡＨＶ-ＶＧＩ）的纵向模型。针对纵向模型中由于参数拟合以及可移动唇罩引入的不确定性、飞行器所受不确定外来干扰，提出了一种基于模糊干扰观测器的ＡＨＶ-ＶＧＩ动态面控制方案。仿真结果表明：所提方法能够对ＡＨＶ-ＶＧＩ系统进行有效控制，相对于传统的定几何进气道（ＦＧＩ）ＡＨＶ（ＡＨＶ-ＦＧＩ）的控制，性能更优。关键词：可移动唇罩；吸气式高超声速飞行器；变几何进气道；模糊干扰观测器；动态面控制
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—９７８７（
２０１８）０９—０１０８—０４Ｄｅｓiｇｎｏｆｃｏｎｔｒｏl ｓｙｓｔｅm ｏｆＡＨＶｗiｔｈｖaｒiaｂlｅｇｅｏmｅｔｒｙiｎlｅｔ*
ＳＵＰｅｉ-ｈｕａ，
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ＤＳＣ）０ 引 言吸气式高超声速飞行器（ａｉｒｂｒｅａｔｈｉｎｇｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ＡＨＶ）由于空间战略优势、全球可达性等，引起了国内外的广泛关注［１，２］。在控制领域，如比例—积分—微分（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｎｔｅｇｒａｌｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ，ＰＩＤ）算法［２］、自适应控制［３］、滑模控制［４］、模糊控制［６］等在高超声速飞行器的控制算法上有了广泛的应用。然而，传统的定几何进气道ＡＨＶ（ａｉｒｂｒｅａｔｈｉｎｇｈｙｐｅｒｓｏｎｉｃｖｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈｆｉｘｅｄｇｅｏｍｅｔｒｙｉｎ-
ｌｅｔ，ＡＨＶ-ＦＧＩ）是保证其在针设计点附近的性能，当运行马赫（Ｍａｒｃｈ）数较低时，产生“溢流”现象，使得发动机性能下降。近年来，变几何进气道（ｖａｒｉａｂｌｅｇｅｏｍｅｔｒｙｉｎｌｅｔ，ＶＧＩ）的研究取得了一定的进展。其通过改变进气道的结构来提高飞行器的运行性能，Ｘ—４３Ａ使用了一种旋转唇罩式可移动唇罩［５］，日本的ＳｐａｃｅａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉａｌＳｃｉｅｎｃｅ机构针对ＡＴＲＥＸ引擎提出了一种对称式ＶＧＩ方案［６
］，美国学者提出了可调节中心锥式进气道以提高超冲压燃烧式发动机的非收稿日期：２０１７—０８—２１*基金项目：国家自然科学基金资助项目（９１０１６０１８，６１０７４０６４）设计点性能［７］。尽管ＶＧＩ的设计以及理论分析已经取得了一系列的研究成果，但对ＡＨＶ-ＶＧＩ的控制设计仍处于起步阶段。法国ＯＮＥＲＡ机构提出了一种ＶＧＩ即通过沿着来流方向平移唇罩，从而提高飞行器的性能。本文主要针对该方案在控制设计方面展开研究。建立ＡＨＶ-ＶＧＩ的纵向模型，将ＡＨＶ-ＶＧＩ由于气动力拟合引入的不确定性、由可移动唇罩引入的不确定性，以及其所受的外部扰动视为复合干扰，并使用模糊干扰观测器（ｆｕｚｚｙｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｏｂｓｅｒｖｅｒ，ＦＤＯ）进行观测。并结合动态面控制（ｄｙｎａｍｉｃｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｔｒｏｌ，ＤＳＣ）策略，实现了控制系统的设计。仿真结果表明ＡＨＶ-ＶＧＩ系统在控制方面更具优势。１ ＡＨＶ-ＶＧＩ模型描述
１．１ 可移动唇罩原理及数学模型平移唇罩能够实现进气道最大气流捕获的基本原理如图１所示。当飞行器处于较低马赫状态时，若设有可移动唇罩且唇罩向前移动Ｌ１的距离，则可实现最大气流捕获。８０１万方数据