Adaptive Control of Nonminimum Phase Aerospace Vehicles- A Case Study on Air-breathing Hypersonic Vehicle Model.
저자
발행사항
Ann Arbor : ProQuest Dissertations & Theses, 2017
학위수여대학
The Ohio State University Electrical and Computer Engineering
수여연도
2017
작성언어
영어
주제어
학위
Ph.D.
페이지수
118 p.
지도교수/심사위원
Advisor: Serrani, Andrea.
Tail-controlled missiles, hard-disk drives and multi-link flexible manipulators all share a common trait - nonminimum phase (NMP) property of their dynamical models. The NMP property can be described as the presence of unobservable or internal dynamics which are unstable when the output is identically zero, by a suitable choice of input and initial conditions. The NMP property poses a significant challenge for control systems design by imposing limitations on the controller structure. Specifically, it prohibits the use of typical inversion based control techniques. In this dissertation, the NMP property is considered as it appears in aerospace applications, specifically air-breathing hypersonic vehicles (HSV).Air-breathing hypersonic vehicles, powered by scramjet engines, are intended to achieve long-duration hypersonic flight at airspeed exceeding Mach 5. HSVs have extensive military applications and have the potential for use as atmospheric reentry vehicles, which would improve access to space travel. The NMP property is seen in HSVs due to vehicle frame being tightly integrated with the propulsion system, causing an elevator-to-lift coupling.In addition to NMP behavior, hypersonic vehicles experience flexible effects from the fuselage. Furthermore, the vehicle models available for control design are not fully known, with uncertainty in the aerodynamic forces and moment. A suitable controller for the HSV must stabilize the internal dynamics, obtain a desirable response for the vehicle outputs and be robust to model uncertainties. In this study, the longitudinal dynamics of the HSV are considered, with the objective of achieving a desired trim condition in vehicle airspeed and altitude.Two solutions that address the issues with hypersonic vehicles are presented here. First, is a modular adaptive control method with input-to-state analysis of internal dynamics. In this case, the output is redefined with pitch angle as a dummy output such that the internal dynamics have a stability property that could be utilized in control design. The resultant internal dynamics, which include the output of interest, are then stabilized by shaping the trajectory of the dummy output. This trajectory shaping is done through small-gain design and input-to-state stability analysis is applied to show that all signals in the system remain bounded and the outputs reach the desired trim values. An observer-based adaptive controller is designed for estimating the uncertain parameters.In the second part, control design for HSV is attempted through a weaker coupling, i.e. by lift control. An internal model is used for redefining tracking errors and forming a loop interconnection with pitch angle and pitch-rate. This loop generates zero dynamics which must be stabilized. The pitch dynamics are steered towards a command input by selecting the input to the internal model. The internal model is stabilized by the selection of the command input to the pitch dynamics. This successive redefinition of the regulated outputs between the nested zero dynamics is the critical design element for overall system stability. The loop interconnection between the internal model and the pitch dynamics is stabilized by a small-gain analysis. In this design, coefficients of all three-lift,drag and moment coefficients are estimated by adaptive update laws.The main contribution of this dissertation is a demonstration of adaptive control design for nonlinear nonminimum phase systems using only thrust and elevator deflection as control inputs with the air-breathing hypersonic vehicle as a case study.
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