高超声速飞行器动力学建模与分析

吸气式高超声速飞行器本身具有复杂动力学特性,由于存在强烈的结构弹性/推力/气动的耦合以及其力学环境的诸多不确定因素,使得飞行器本身的动态特性相当复杂.经典牛顿力学方法建模难以清楚反映飞行器结构弹性/推力/气动耦合.为更为精确的分析高超声速飞行器复杂的动力学特性,本文针对吸气式高超声速飞行器采用拉格朗日法进行了建模与动态特性分析,选择了具有代表性的特征点,建立了小扰动模型,在不同特征点上采用拉格朗日模型和牛顿力学模型对比分析高超声速飞行器的动力学特性.结果表明,拉格朗日方法所建立的动力学模型能够更清楚地符合高超声速飞行器结构弹性和气动特性耦合以及发动机尾流和气动特性之间的耦合特性.     

面向控制的弹性体高超声速飞行器建模与分析

针对高超声速飞行器建模中气动-推进-弹性结构之间的耦合问题, 给出飞行器综合建模方法. 利用空气动力学相关理论估算气动力、推力及弹性模态, 建立了高超声速飞行器弹性体机理模型和面向控制模型, 分析了气动加热和质量变化对飞行器弹性模态的影响及纵向气动特性. 实验结果表明, 气动加热和质量变化对弹性模态影响显著, 面向控制模型能降低模型的复杂度, 保留机理模型的耦合特性, 并为控制器设计提供模型依据.

     

基于特征模型的高超声速飞行器自适应控制研究进展

钱学森先生1945年在论文《论高超声速相似律》中,首次提出了高超声速(hypersonic)的术语.高超声速飞行器具有的强大的军事和民事应用前景,20世纪80年代初,在世界上掀起了研究和发展高超声速飞行器的热潮,其中高超声速飞行器控制是其关键科学和技术问题之一.高超声速飞行器的研究取得了大量理论成果,与其形成鲜明对比的是,高超声速飞行器在试飞实验中却遇到了很大困难,例如X–51A,HTV–2.这种现象不得不引发我们进行深入思考.由于高超声速空气动力学研究的局限性,导致目前所建立的高超声速飞行器的动力学模型,与真实系统相比,其结构和参数不确定性非常大,它从根本上限制了控制理论和方法的研究.并且由于高超声速飞行器动力学模型的复杂性,导致目前工程应用中的控制方法复杂化.因此,针对高超声速飞行器控制问题,需要深入开展气动、控制交叉学科的研究,以及适于工程应用的自适应控制的研究.针对上述问题,我们开展了一定的研究.我们建立了三轴耦合的高超声速飞行器被控对象类X–20及其气动模型,并结合工程应用,直接针对表格形式的气动模型开展控制研究.针对强耦合和无解析动力学的控制问题,特征模型理论有其独特优势.近年来,我们系统研究了基于特征模型的高超声速飞行器的爬升、滑翔和再入控制问题.本文首先介绍特征模型理论和方法,进而综述和分析基于特征模型的高超声速飞行器自适应控制的研究进展,并提出进一步需要研究的问题.     

基于多环QFT的高超声速飞行器鲁棒控制

阐述了定量反馈理论(QFT)的基本原理和设计方法,针对超燃冲压发动机不同工作状态时高超声速飞行器不确定性模型,应用多环QFT设计了高超声速飞行器纵向飞行控制系统;仿真结果表明,运用QFT方法设计的控制系统不仅具有良好的跟踪性能和抗干扰性能,而且能够很好地解决飞行控制系统由于模型参数具有不确定性而造成的控制系统鲁棒性设计问题,并从工程应用角度为高超飞行器纵向飞行控制系统提供了一种鲁棒控制设计方案。     

高超声速飞行器鲁棒自动驾驶仪设计研究

针对高超声速飞行器姿态控制问题,设计了具有鲁棒特性的自动驾驶仪;针对带有耦合特性的面对称外形高超声速飞行器的动力学模型,在存在气动参数摄动的情形下,基于数值有界不确定性描述形式,利用鲁棒控制理论和线性矩阵不等式(LMl)求解方法,设计了三通道鲁棒的自动驾驶仪控制器;最后仿真结果表明,所设计的三通道自动驾驶仪使得高超声速飞行器获得理想的动态性能和稳态品质,并对气动参数和通道间的耦合不确定性具有较强的鲁棒性.     

高超声速飞行器飞行轨迹的模糊控制设计

针对高超声速飞行器飞行过程中因干扰造成的飞行轨迹散布问题,提出了采用飞行器飞行轨迹的模糊控制设计方法。方法以高超声速飞行器飞行轨迹线偏差和线偏差变化率作为模糊控制器输入,采用模糊推理设计飞行控制系统。在完成高超声速飞行轨迹控制系统数学建模的基础上,结合自动驾驶仪特点对飞行轨迹模糊控制系统进行了设计。结论通过仿真表明所设计的飞行控制系统满足飞行轨迹及攻角性能要求,验证了方法的正确性。     

基于模糊控制的高超声速飞行器二阶滑模姿态控制

考虑高超声速飞行器飞行过程中气动参数变动导致的不确定,将模糊控制与二阶滑模控制相结合,形成自适应模糊二阶滑模控制器,用于控制高超声速飞行器姿态的飞行系统中.依据奇异摄动理论,设计快速和慢速双闭环系统控制角速率和姿态角.设计二阶滑模控制器用于有效地衰减抖振,同时对姿态角指令实现准确和快速跟踪.采用自适应模糊逻辑逼近高超声速飞行器动力学和运动学模型中的不确定部分,以对控制器进行有效补偿,基于Lyapunov稳定性理论,推导模糊规则参数的自适应律,确保整个闭环控制系统的稳定.仿真结果表明,所提出的高超声速飞行器的自适应模糊滑模控制系统能够有效抑制气动参数摄动的影响,对姿态角指令有较好的跟踪性能.     

面向控制的高超声速飞行器六自由度建模与分析

针对一类三维高超声速飞行器构型,给出了刚体飞行器六自由度模型综合建模法.采用斜激波与Prandtl-Meyer膨胀波关系式等空气动力学理论,计算飞行器机身表面的气动力、控制面受力及推力.采用逐步回归的曲线拟合方法,建立了飞行器面向控制的曲线拟合模型,并分析了六自由度模型的动态特性.结果表明,曲线拟合模型降低了机理推导模型的复杂度,并保留了气动与推进系统的耦合性,为飞行器控制器设计提供依据.     

近空间高超声速飞行器控制的几个科学问题研究

近空间高超声速飞行器的特点给其建模和控制带来了新的问题.本文 首先分析高超声速飞行器的特点,进一步给出 大包络飞行的统一模型.其次,总结了高超声速飞行器巡航控 制、再入姿态控制研究的现状,强调了弹性、非最小相位、再入制导控制一体化设计等问题. 最后,结合高超声速飞行器的发展,阐述了高超声速目标的拦截问题,提供未来可供研究的方向.     

基于参数依赖滚动时域H∞控制的高超声速飞行器控制

针对输入受限的高超声速飞行器强耦合、强非线性以及严重不确定性的特点,提出一种参数依赖滚动时域?∞控制(PD-RHHC)的方法.首先在考虑控制输入约束的条件下,引入参数依赖Lyapunov函数和松弛因子并提出了基于LMI优化的PD-RHHC;然后采用函数替换方法,结合张量积模型转换方法实现高超声速飞行器(HSV)纵向非线性弹性模型的LPV描述,并将PD-RHHC应用到高超声速飞行器纵向控制中,以实现HSV在大飞行包线内的机动飞行;最后通过仿真实验验证了所提出算法的有效性.     

考虑迟滞非线性的高超声速飞行器颤振分析

为给飞行器颤振控制及结构设计等提供支持,利用适合复杂结构建模的动态子结构方法中的自由界面模态综合法,考虑飞行器在超声速飞行状态下高超声速流和飞行器自身结构的特点,将整个飞行器分成多个子结构;考虑飞行器机身与机翼之间相互连接构件的实际工作状况和制造工艺情况,带有间隙非线性与立方非线性相互作用所产生的迟滞非线性特性,以及阻尼因子对非线性的影响,用有限元计算软件计算各子结构的动力学特性参数和气动力分布情况,建立飞行器整机的振动微分方程以分析颤振特性．对得到的飞行器在所设工况下的振动和颤振特性及颤振临界状态进行分析,实现全机气动弹性问题的仿真计算．分析结果表明,该方法拓展高超声速飞行器颤振的计算,可为动态子结构方法应用于颤振研究提供参考．     

基于Petri网的Stateflow建模方法的研究与应用

以输送机器人生产线控制系统设计为例,提出将基于Petri网的Stateflow建模仿真方法应用于PLC控制软件的开发过程中。首先利用Petri网对系统控制功能进行分析,结果表明系统在运行时序上存在并行冲突,采用Petri网的数学建模功能协调冲突后,通过可达图验证了此Petri网模型是安全无死锁的;其次在上述基础上将Petri网与Stateflow组成元素相对应并进行转换;最后利用Simulink构建模型进行系统仿真分析,证明输送机器人生产线控制逻辑正确,状态转移有效。     

Fuzzy dynamic characteristic model based attitude control of hypersonic vehicle in gliding phase

The intelligent autonomous control of hypersonic vehicles has aroused great interest from the field of spacecraft. To solve the problem of longitudinal attitude control of hypersonic vehicle in gliding phase, a new intelligent controller is proposed in this paper. This new controller is based on the fuzzy dynamic characteristic modeling method. The fuzzy logic is introduced into the characteristic modeling by dividing the whole restriction range into several subspaces. Simulations show that this modificatio...     

近空间高超声速飞行器对控制科学的挑战

本文分别从6个方面讨论高超声速飞行器对控制科学带来的挑战：1）高超声速飞行器强耦合特征,解耦与耦合协调控制的区别与联系;2）高超声速飞行器异类多作动器的协调配合,以及冗余控制输入和一体化设计带来的控制科学问题;3）流体力学与控制的结合,面向控制的建模理论与方法;4）高超声速飞行器中相关的经典非线性、时变、优化与变分问题;5）高超声速飞行器控制过程中的飞行分段与问题分解;6）重视计算机的作用,有效结合计算机仿真解决工程问题．从高超声速飞行器实际需求出发提炼问题并加以解决,不仅对飞行器本身非常重要,而且会推动控制科学的发展．     

高超音速导弹的新型控制模式研究

弹头变质心机动控制是通过移动弹头的质心位置,利用气动配平力矩改变弹头的飞行姿态和攻角,从而可实现弹头机动控制.以弹头为例,在推导出质量矩弹头的动力学方程基础上,通过分析其方程组的特点并结合弹头再入过程中的气动、速度等参数变化规律,给出了质量矩弹头再入过程中宜采用的控制模式,为其控制律的设计提供了必要的理论参考.     

机动弹头六自由度运动建模研究

机动弹头的应用是弹道导弹提高突防能力和命中精度的有效选择。为了深人研究机动弹头的制导与控制规律,该文针对机动弹头再人机动飞行的特点,给出了气动控制力和控制力矩的计算模型,并应用六自由度一体化建模理论建立了较为精确的动力学和运动学数学模型,而且基于MATLAB／Simulink对其数学模型进行了转化,建立了可在计算机上实现的数字仿真模型,并给出了部分仿真结果。结果表明,所建立的机动弹头六自由度运动模型能够充分表征其再入机动飞行的特点,为制导和控制系统的六自由度一体化建模与仿真提供了基础和前提。     

Time-varying control via nominal trajectory linearization for an air-breathing hypersonic vehicle

A time-varying control law via nominal trajectory linearization for an air-breathing hypersonic vehicle (ABHV) model is applied. Feasible guidance command signal serials are generated by nonlinear dynamic inverse (NDI) method considering interactions between aerodynamic effects and propulsion systems. Multiple-time-scale continuous time-varying control, which meets the requirement with accurate, robust, and decoupled tracking of both the commanded trajectory and angular rate profiles in the presence of modeling uncertainties and external disturbances are applied. The simulations for an ABHV model with modeling uncertainties, wind gust, and measuring noises are presented to demonstrate the capacity and reliability of this proposed method.     

XML解析技术及其在飞行数据存储及访问中的应用

飞控数据的保存和共享在航空界具有深远的意义,飞行数据的集成依赖于统一的表示格式和功能强大的表示手段,XML以其灵活性和开放性,能够胜任这样的需求。首先对XML的解析技术进行了对比研究,然后探讨了应用XML语言进行飞行数据集成和访问存储,此方法确保了飞控信息的及时性和可扩展性。     

多参数融合的飞行品质评估模型的建立

目前航空管理机构与航空公司进行飞行品质评估主要是依据经验与简单飞行参数统计数字,这样做难以得出科学、客观的评估结果。基于提升全行业安全保障能力和运行品质的需求,研究了利用计算机技术对飞行品质进行综合评估的方法。选取了理想值逼近法作为飞行品质综合评估的手段,结合波动通道模型作为飞行品质评估的理论基础,基于提出的飞行品质评估模型对飞行品质评估系统进行了设计。对真实的飞行参数数据建立综合评估模型,同时考察多次航班的多个飞行参数,给出综合的飞行品质评估结论,为飞行评估、训练提供理论基础和科学的评判方法。