基于自适应滑模控制的高超声速巡航飞行器攻角控制律设计

针对临近空间高超声速巡航飞行器动力系数变化大、攻角要求精确控制的特点,设计了一种自适应滑模变结构攻角控制律。该控制律采用内外环结构,内环通过俯仰角速率反馈提高系统的阻尼、改善动态过程品质,外环控制飞行攻角,用自适应算法调节滑模控制器的控制参数来逼近时变系统参数的上界同时消除外界干扰。仿真研究表明,所设计的攻角控制律响应快、稳态误差小,具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。     

高超声速飞行器纵向内环系统反演预设性能控制

针对高超声速飞行器控制器设计没有考虑系统的瞬态和稳态性能应满足预设性能的问题,在模型中存在强非线性的条件下,基于反演设计思想,提出一种预设性能控制器的设计方法。利用Lyapunov稳定性定理证明了系统的稳定性,保证纵向内环闭环系统误差全状态满足预设的瞬态和稳态性能。通过仿真算例验证了提出方法的有效性。     

基于单隐层神经网络的空天飞行器鲁棒自适应轨迹线性化控制

研究了一种新的空天飞行器鲁棒自适应轨迹线性化飞行控制系统设计方案。利用单隐层神经网络的逼近能力在线估计系统中存在的不确定性，神经网络输出用以抵消不确定性对轨迹线性化方法控制性能的影响。鲁棒自适应控制器用以克服逼近误差，并使闭环系统具有更好的性能。严格的理论证明表明，给定的自适应调节律能够保证闭环系统跟踪误差最终收敛至任意小紧集。空天飞行器高超声速飞行条件下的仿真结果表明，即使在很恶劣的条件下，新方法仍然表现出很好的响应性能。     

考虑高超声速飞行器执行机构动态特性的预设性能控制

考虑高超声速飞行器执行机构的动态特性,引入预设性能函数,采用反步控制方法和动态逆控制方法分别对高度子系统和速度子系统设计控制器。在高度子系统控制器的设计过程中,显示的考虑执行机构的二阶动态特性,并引入预设性能函数,保证了飞行器的暂态响应。此外,针对常规反步法存在微分膨胀的问题,应用动态面控制技术以避免对虚拟控制量进行反复求导,简化了控制器的设计。然后,利用Lyapunov稳定性理论对飞行器控制系统稳定性进行分析。最后,仿真结果表明该控制方案能够使飞行器快速的跟踪给定的参考轨迹,且跟踪误差保持在预设范围内。     

高超声速飞行器翼面气动加热的工程计算方法

翼面气动加热是高超声速飞行器面临的核心问题之一。文中基于参考焓法及经验公式,采用片条理论对飞行器翼面进行热流密度估算;考虑了不同飞行参数及翼型参数对翼面迎风面表面温度分布的影响;给出了高超声速飞行器翼面气动加热工程计算流程。采用文中方法,对高超声速飞行器常用的双凸形翼型进行气动加热计算,结果表明攻角、飞行马赫数、前缘后掠角、翼型相对厚度对翼面温度分布影响显著。该方法可用于高超声速飞行器翼面快速设计。     

高超声速飞行器输入受限反步控制

高超声速飞行器因其重要的战略地位已经成为各国争夺空天权所关注的焦点。控制系统设计是保证高超声速飞行器实用化的关键技术。针对吸气式高超声速飞行器，设计一种反步控制器。为增强反步控制器的鲁棒性，引入径向基神经网络对高超声速飞行器纵向非仿射动力学模型中的不确定函数进行在线逼近。为了解决输入受限带来的控制问题，构造一种新型辅助系统对跟踪误差和控制律进行补偿，实现在控制输入瞬时饱和情况下的稳定跟踪。最后，基于MATLAB仿真验证了控制策略的有效性。     

基于向量Lyapunov函数方法的高超声速飞行器着陆段一体化导引与控制律设计

基于向量Lyapunov函数方法,设计了高超声速飞行器着陆段一体化导引与控制律。首先,根据高超声速飞行器着陆段三自由度运动学与动力学模型、阻力加速度动力学模型、姿态动力学方程,在考虑飞行器动力学方程中的不确定因素及可能存在的扰动因素的情况下,推导出制导与控制一体化非线性全耦合模型。然后,将上述非线性全耦合模型抽象为一类具有不确定性和强非线性的MIMO系统,针对该类系统,利用向量Lyapunov函数方法设计鲁棒控制器。最后,通过仿真计算对所提出控制器的有效性进行了检验。     

高超声速飞行器的终端滑模姿态控制

针对具有高度非线性、强耦合、含较大不确定性特点的高超声速飞行器,设计了终端滑模控制器,并应用于高超声速飞行器的姿态控制中。对飞行器姿态控制系统的慢回路设计PID控制律,快回路设计终端滑模控制律。终端滑模控制对系统参数的变化不灵敏,具有良好的鲁棒性。并利用李雅普诺夫稳定性理论证明整个闭环系统的稳定性。仿真结果表明,在气动参数大范围摄动的情况下,该控制系统对于高超声速飞行器姿态角信号指令具有良好的跟踪性能。     

国外高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性概述

概述了国外在高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性领域进行的研究活动,重点关注对非定常高超声速气动力学的建模和把流体与结构之间的热传递纳入气动弹性求解等两个问题,归纳出了未来高超声速气动弹性力学和气动热弹性力学的发展方向。由于吸气式高超声速飞行器机体、推进系统和控制系统的强耦合性,未来的发展趋势是把先进计算气动热弹性法纳入飞行器的综合分析。     

高超声速飞行器六自由度建模及耦合特性分析

针对高超声速飞行器进行无动力再入建模及耦合特性分析。基于空天飞行器在高超声速状态下的气动力及气动力矩参数数据,采用神经网络拟合并建立气动参数模型。分析了飞行器在最大升阻比下飞行时舵机对弹道的耦合特性,以及气动力对姿态角速度、姿态角速度通道之间的耦合特性。仿真结果表明高超声速飞行器模型是一类参数时变、强耦合的复杂非线性系统,该模型可用于弹道优化、制导律及姿态控制等问题的设计及研究。     

高超声速飞行器的自适应容错控制

针对高超声速飞行器同时存在多源干扰和执行机构故障的问题,提出一种自适应容错控制策略,建立多源干扰和执行机构故障同时存在的飞行器模型。设计一种自适应可重构复合控制器,通过动态调节控制器参数补偿执行机构故障对姿态控制系统的影响。对多源干扰的上界进行估计,并结合双曲正切函数补偿多源干扰的影响,使得所设计的控制器在多源干扰和执行机构故障同时存在情况下具有优良的控制性能。虚拟控制指令微分量求解困难,为此在控制器设计中使用1阶滤波器对虚拟控制指令进行滤波处理,避免了复杂的求导过程。利用Lyapunov方法证明了所设计控制器的渐进稳定性,仿真算例结果表明了自适应容错控制策略的可行性和有效性。     

基于神经网络观测器的水下拖体输出反馈姿态控制

针对水下拖体俯仰姿态控制系统设计时无法精确建模、模型具有强烈非线性和不确定性以及不可测外界干扰和角速度等问题,设计了一种基于观测器的补偿控制系统。该系统中两个神经网络独立对动态非线性模型进行在线辨识,分别配合状态观测器和补偿滑模控制器完成对系统状态变量的实时观测与补偿控制。在观测器中加入鲁棒项抑制附加干扰,设计了两种自适应权值更新律以及一种映射修正自适应律以保证系统的稳定性。经Lyapunov理论证明,在满足一定条件下,系统的观测与控制误差均为最终一致有界。仿真和实验结果表明,所设计的补偿控制系统具有良好的自适应性和鲁棒性。     

高超声速飞行器鲁棒多目标线性变参数控制

针对具有“乘波体”构型的吸气式高超声速飞行器纵向飞行姿态控制问题,提出了一种基 于区域极点配置的鲁棒多目标线性变参数（LPV）控制系统设计方法。给出吸气式高超声速飞行器纵向非线性机理模型,在此基础上建立了刚性LPV模型;针对此类LPV模型,提出了基于区域极点配置的LPV状态反馈控制系统设计方法,将系统的鲁棒稳定性、干扰抑制、跟踪性能等性能指标通过扩展线性矩阵不等式约束的方式,实现了LPV系统的多目标鲁棒跟踪控制。同时,通过引入松弛变量的方法,解除了Lyapunov函数矩阵与系统矩阵之间的耦合影响,从而降低了控制系统设计的保守性,得到了满足期望性能要求的LPV状态反馈鲁棒跟踪控制器。所设计的控制器应用于高超声速飞行器的非线性机理模型进行数值仿真验证,仿真结果表明：所设计的控制器能够使得闭环反馈控制系统有效地跟踪指令信号变化,系统动态性能良好且具有较强的抗干扰能力。     

Design of Neural Network Variable Structure Reentry Control System for Reusable Launch Vehicle

A flight control system is designed for a reusable launch vehicle with aerodynamic control surfaces and reaction control system based on a variable-structure control and neural network theory.The control problems of coupling among the channels and the uncertainty of model parameters are solved by using the method.High precise and robust tracking of required attitude angles can be achieved in complicated air space.A mathematical model of reusable launch vehicle is presented first,and then a controller of flight system is presented.Base on the mathematical model,the controller is divided into two parts：variable-structure controller and neural network module which is used to modify the parameters of controller.This control system decouples the lateraldirectional tunnels well with a neural network sliding mode controller and provides a robust and de-coupled tracking for mission angle profiles.After this a control allocation algorithm is employed to allocate the torque moments to aerodynamic control surfaces and thrusters.The final simulation shows that the control system has a good accurate,robust and de-coupled tracking performance.The stable state error is less than 1°,and the overshoot is less than 5%.     

某高超声速飞行器助推段纵向控制策略研究

为解决某高超声速飞行器助推段纵向控制的问题,以火箭助推垂直发射式飞行为对象,对其高超声速飞 行器助推段纵向控制策略进行研究。根据飞行器的飞行环境和自身结构,给出特性分析并剖析了控制难点,建立运 动参数时变模型,提出纵向姿态控制、增稳控制和迎角保护策略。分析结果表明：从稳定性和操纵性两方面与迎角 相比,俯仰角控制器具有更好操稳性,俯仰角速率指令内回路在助推段相比于阻尼内回路具有更好的鲁棒性。