引用格式: 梁小辉, 卢家乐, 韩渭辛, 等. 基于宽域飞行模态划分的超声速民机鲁棒切换控制. 中国科学: 信息科学, 2026, 56(7): 1780-1794, doi: 10.1360/SSI-2025-0330研究意义
超声速民机作为下一代民用航空运输的重要发展方向，能够显著缩短飞行时间。然而，与普通客机不同，超声速民机需要经历从低速起飞、跨声速加速到超声速巡航的飞行过程。在这一过程中，飞机的气动特性会发生剧烈且复杂的非线性变化（如激波产生、焦点后移等），同时还面临着严重的气流扰动。依靠单一的控制器难以保证全包线飞行的稳定性，而传统的增益调度或简单的切换控制往往缺乏严格的稳定性证明，甚至会在切换瞬间引发飞机的剧烈颠簸。因此，如何合理划分飞行模态，并设计一种既能抗干扰又能实现平滑切换的控制系统，是保障超声速民机安全舒适飞行的关键。为了解决超声速民机宽域飞行中的多模态切换、气动特性复杂变化和外部扰动问题，本文提出了一种基于宽域飞行模态划分的鲁棒切换控制策略。基于DATCOM气动分析数据提取操稳特性特征，采用模糊C均值聚类算法量化数据内在关联。将宽域飞行包线科学划分为亚声速、跨声速、低/高超声速四个模态，并构建了相应的模态切换逻辑，摆脱了仅凭经验划分的局限。针对宽域飞行中存在的模型不确定性和外部风扰，设计了一种固定时间收敛扰动观测器，能够在预定的时间内快速、准确地估计出系统的“集总扰动”，提升了抗干扰能力。结合反步法与改进动态面技术构建整体控制框架，避免复杂微分计算。引入“软切换”策略，在模态过渡区间利用加权平滑算法，有效消除了硬切换带来的瞬态冲击，确保控制指令连续平稳。（1）数据驱动的模态划分：提出了一种基于操稳特性聚类分析的模态划分方法，利用模糊C均值聚类得到切换信号，比传统划分更符合飞机的物理与数据特性。（2）快速抗扰能力：设计了固定时间扰动观测器，实现了对宽域飞行中复杂集总扰动的快速估计与补偿。（3）平滑稳定的切换策略：结合改进动态面技术与软切换过渡策略，有效解决了不同飞行模态间切换时的控制律跳变问题，保证了全包线飞行的平稳性。本文以超声速民机从爬升段至巡航段（0.3马赫加速至1.6马赫）的宽域飞行任务进行了仿真验证。实验结果表明，在存在强参数摄动和外部扰动的情况下：（1）抗扰性能：引入观测器补偿后，系统能够有效抑制误差振荡，速度和高度跟踪误差始终收敛在极小范围内。（2）切换性能：相比于引起剧烈瞬态响应的“硬切换”策略（M2），本文提出的控制策略（M3）在所有模态切换点处均保持了状态量的平滑过渡。切换瞬间的波动幅度被控制在很小的范围内，且舵面偏转平滑，避免了对执行机构的冲击，显著提升了飞行的稳定性和安全性。相关阅读
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