高超声速飞行器的模型跟随控制方法及其仿真(2)
4 模型跟随控制方法与仿真 18
4．1 系统极点配置与仿真 18
4.1.1 极点配置法 18
4.1.2 仿真分析 19
4．2 LQR控制器的设计与仿真 21
4.2.1 LQR控制理论 21
4.2.2 仿真分析 22
4．3 模型跟随控制器的设计与仿真 25
4.3.1 模型跟随方法原理 25
4.3.2 仿真分析 27
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速，以吸气式发动机或其组合发动机为主要动力装置，能在大气层中进行远程飞行的飞行器，具有较高的突防成功率和侦察能力，能大大扩展战场空间。高超声速飞行器潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域，成为21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向。近年来，各军事大国在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制等关键技术研究方面积累了丰富经验，对高超声速飞行器未来的发展奠定了基础[1,2]。
我国的高超声速技术还处于起步阶段，但近几年，我国正在就发展高超声速飞行器关键技术的核心问题进行研究。一个名为“空天安全重大基础问题”的课题已在2002年立项，国家有关部门也已投入资金进行课题研究。同时，我国也成立了以可重复使用运载器为主题的高超声速飞行器研究小组[3]。这些都表明了我国正在逐步加大对高超声速飞行器相关技术的研究。
1．1 研究背景
高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点，能在很短的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数千或者上万公里外的各类军事目标。这主要是因为它具有高性能动力推进系统。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是高超声速飞行器的关键技术。目前，各国发展高超声速技术主要选用燃料可在高超声速内流中稳定燃烧的高超声速燃料（简称超燃）冲压发动机。
1.1.1 高超声速飞行器的优点
高超声速飞行器由于其独特的优势，在未来的军事、政治和经济中具有非常重要的战略地位，已经成为世界航空航天领域一个极其重要的发展方向。高超声速飞行器有以下四个优势[1,4,5]:
（1）飞行速度快，全球到达。
（2）稍纵即逝，探测难度大；
（3）突防能力强，拦截困难；
（4）射程较远，威力较大。
1.1.2 高超声速飞行器涉及的关键技术
高超声速飞行器所涉及的关键技术主要有一下几点[6]：
（1）高超声速推进技术。要实现高超声速飞行, 首先必须具有适合的推进系统。目前的研究重点是: 动力装置总体方案；冲压发动机进气道设计理论与试验；燃烧室设计和燃烧室试验； 冲压发动机喷管与利用飞行器后体补充膨胀；先进控制和燃料供给系统； 冲压发动机燃料及热沉利用; 双模态超燃冲压发动机技术验证试验等。
（2）一体化设计技术。目前的研究重点是: 气动设计一体化, 要考虑减小阻力、增加升力, 还要考虑气动加热、热防护；结构设计一体化, 特别是热结构及燃料供应与冷却系统设计一体化；飞行器各子系统及各主要参数的动态与静态一体化；发动机推力控制与飞行器飞行控制一体化等。
（3）高超声速空气动力学技术。当飞行器以高超声速飞行时, 气动加热非常严重。为此, 必须掌握与高超声速飞行器气动布局及与推进系统一体化设计相关的高超声速流动规律, 解决在真实飞行环境下所出现的气动力、气动热新课题。目前, 各国正积极发展与高超声速空气动力与热力学相关的基础理论、建模计算及试验验证手段。