Super twisting sliding mode control for a flexible air-breathinghypersonic vehicle based on disturbance observer
本文研究了一种基于干扰观测器的超扭曲滑模控制策略，用于应对具有气动参数不确定性的柔性吸气式高超音速飞行器（FAHV）。研究中提出了一个鲁棒的有限时间滑模控制策略，旨在解决FAHV模型在飞行过程中由于气动特性、推进系统和结构柔性的强耦合作用所带来的控制难题。由于问题的复杂性，作者首先将FAHV模型划分为三个子系统：速度子系统、高度及航迹角子系统、攻角和俯仰率子系统。为了降低控制器设计的复杂性，基于超扭曲算法设计了一种新颖的有限时间干扰观测器和改进的滑模控制器，以确保每个子系统的有限时间稳定性。所提出的干扰观测器能够在有限时间内估计出虚拟控制的不确定性和导数。
引言部分提到了高超音速飞行器（HSV）在快速全球响应方面具有独特的优势，因此在几十年来，随着高超音速技术的发展，对FAHV的研究受到了极大的关注。FAHV特别适用于快速全球响应和获得空中优势。研究这些飞行器的挑战在于需要解决它们的非线性和复杂动态特性，其中包括气动参数的不确定性、外部干扰以及飞行器结构的灵活性。
在本文中，首先介绍了高超音速飞行器的相关概念，以及对于研究FAHV的必要性。作者们特别强调了由于飞行器的灵活性导致的气动与推进系统之间的强耦合，使得控制系统设计变得更加复杂。文章接着详细描述了通过超扭曲算法和干扰观测器进行控制器设计的策略。超扭曲滑模控制策略是针对非线性系统的一种控制方法，它能够提供对模型不确定性的鲁棒性以及对外部扰动的强健性。文中详细阐述了有限时间干扰观测器设计的原理和方法，这是一种可以快速准确估计系统干扰和虚拟控制输入不确定性及其导数的算法。
文章还介绍了一些关于滑模控制和有限时间稳定性的基础知识。滑模控制是一种特殊的变结构控制方法，它通过在有限时间内使系统的状态在状态空间中的多个子集之间切换来实现对系统动态的控制。而有限时间稳定性是指系统在有限时间内达到一个稳定状态的能力。这两种控制方法结合起来，可以设计出在面对未知干扰和不确定参数变化时依然能够保持性能的控制器。
针对提出的控制策略，作者在文章最后通过仿真结果验证了其在跟踪参考轨迹时的精确性和快速性，从而证明了所设计控制器的有效性。仿真结果表明，系统在受到外部干扰和内部参数变化的影响时，能够快速并且准确地跟踪到预设的轨迹，证实了基于超扭曲算法和干扰观测器的控制器设计的优越性。
本文深入探讨了高超音速飞行器在气动参数不确定情况下的控制系统设计方法。研究提出的基于超扭曲算法的有限时间干扰观测器和滑模控制器相结合的控制策略，为FAHV的精确和快速控制提供了新的思路，并通过仿真验证了该策略的有效性，对未来的高超音速飞行器研究和控制系统设计具有重要的指导意义。
