高超声速飞行器制导控制及一体化设计方法

针对高超声速飞行器制导与姿态控制问题,从慢回路质心制导、快回路绕质心姿控、制导控制联合设计和制导控制一体化设计四个层面对高超声速飞行器制导控制方法进行了总结综述。基于当前各国高超声速飞行器的发展脉络和高超声速飞行器典型飞行特点归纳总结制导与姿态控制方法的重难点;以飞行阶段为准则分别阐述了高超声速飞行器助推段、滑翔段和俯冲段的制导策略及其内涵,结合现代控制理论剖析了已成功用于高超声速飞行器姿态控制的非线性控制过程;基于已公开的有限数目的文献,对高超声速飞行器制导控制联合设计和制导控制一体化设计方法进行了分析。最后,对高超声速飞行器制导控制一体化全集成设计的思路和趋势进行了探索总结。     

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。     

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。     

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。     

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。     

一种基于平方和优化的飞行器大角度机动镇定控制器设计方法

采用修正的Rodrigues参数(MRP),建立了飞行器姿态控制系统的数学模型;利用刚体姿态动力学方程和运动学方程建立了带有转动惯量体坐标系各轴间耦合量的非线性控制系统模型;在镇定控制器设计中,用消去法建立了控制器与Lyapunov函数之间的关系,减少了在迭代算法求解过程中的迭代次数,提出了基于平方和(SOS)方法的一种新的设计方法。仿真结果表明,用这种方法设计镇定控制器简化了设计过程,并且控制器具有较快的响应速度和较好的收敛性。     

不确定参数摄动的高超声速飞行器滑模控制

针对系统内不确定性参数摄动的高超声速飞行器(Hypersonic Vehicles,HV)模型,考虑到传统气动系数简化模型无法真实反映飞行器的气动特性和高超声速下某些不确定性参数摄动的问题,提出了一种改进的气动系数模型,利用改进模型得到准确的气动系数参数,设计了一种基于某些不确定参数的模糊函数逼近的高超声速飞行器滑模控制器。应用模糊函数的强大函数逼近能力对不确定参数进行逼近,应用非线性最小二乘法对改进的气动系数模型进行参数辨识,并与滑模变结构控制结合,提高了系统的鲁棒性,并实现了对系统指令的稳定跟踪控制。仿真结果表明,飞行器在加入速度阶跃指令和高度阶跃指令后,系统能够保持稳定性,并对不确定性参数具有很强的鲁棒性。     

针对高超声速飞行器的非线性动态逆最优控制

高超声速飞行器具有高度非线性,并且输入输出之间存有耦合.传统控制方案中的线性化处理方法有严重的局限性.采用状态反馈线性化方法对高超声速飞行器纵向模型输入输出线性化,并结合最优控制理论设计控制系统,以求提供满意的非线性解耦控制能力,维持良好的纵向稳定性能.基于某常用的高超声速飞行器模型的仿真研究表明该方案能够使飞行器有效...     

弹性高超声速飞行器预设性能精细姿态控制

将反演控制技术、预设性能控制和神经网络相结合,研究设计巡航飞行的高超声速飞行器精细姿态控制器。研究中考虑了高超声速飞行器弹性形变对飞行攻角的影响,引入诱发攻角的概念来刻画气动弹性对飞行器的影响;在考虑弹性的情况下,利用预设性能的设计来满足精细姿态控制的指标要求,同时可以兼顾系统的瞬态性能;利用全局调节动态神经网络在线逼近诱发攻角方程中的未知项,利用Lyapunov稳定性理论得到神经网络权值、中心点和影响范围的自适应调节律,引入鲁棒项来处理神经网络逼近误差的影响,最终设计出考虑气动弹性情况下的高超声速飞行器预设性能精细姿态控制器。通过Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性以及闭环系统所有信号均有界,仿真分析验证了所设计的控制器能够使系统跟踪误差满足预设性能的要求,以此实现姿态精细控制。     

高超声速飞行器自抗扰PID姿态控制

针对高超声速飞行器模型非线性、气动参数变化剧烈的特点,运用自抗扰技术中的跟踪微分器,设计了自抗扰PID控制器,实现了对高超声速飞行器俯仰通道的姿态控制。仿真结果表明,通过两个跟踪微分器构造的自抗扰PID控制器对于高超声速飞行器这样复杂的模型有很好的控制能力,并且有很好的滤波性能和鲁棒性。     

吸气式高超声速飞行器控制技术研究综述

针对吸气式高超声速飞行器的控制系统设计问题,对其研究现状进行了梳理。从分析吸气式高超声速飞行器的独特动力学特征入手,总结吸气式高超声速飞行器控制系统设计的特点和难点。基于主流的建模方法和飞行控制理论,从动力学建模和控制器构造两个方面对吸气式高超声速飞行器控制系统的研究现状进行了分析。对当前吸气式高超声速飞行器控制系统研究存在的主要问题进行了总结,为后续的控制系统设计明确了改进方向。     

高超声速飞行器纵向动力学系统稳定流形边界与频域设计指标关联规律

建立了高超声速飞行器纵向动力学模型,应用稳定流形理论确定了高超声速飞行器纵向非线性动力学系统稳定边界,确定了飞行器纵向动力学系统在工作点的抗干扰能力;用工作点与稳定边界上不稳定平衡点距离l_(ep)近似刻画了稳定域大小;给出了相同飞行状态下稳定边界和线性稳定裕度的保守性对比分析,获得了基于流形的设计参数l_(ep)与幅值裕度的变化相关规律,可在综合考虑非线性系统抗干扰能力前提下为高超声飞行器飞行控制系统频域指标设计提供新的思路与方法。     

高超声速滑翔飞行器再入拉起段弹道优化设计

针对高超声速滑翔飞行器"跳跃滑翔"飞行时再入拉起段高度跨度大、大气密度变化剧烈的恶劣环境,提出基于高斯伪谱法的高超声速滑翔飞行器再入拉起段弹道规划方法。首先建立高超声速飞行器动力学模型,确立约束条件,然后选取驻点热流最小为目标函数,并根据再入拉起段环境将弹道分成两段,采用高斯伪谱法建立连接条件并分段优化。结果表明,该方法计算速度快,拟合的弹道满足各种约束,并且控制量变化平缓,实际飞行中容易实现。     

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。     

基于流形方法的高超声速飞行器的稳定性参数研究

高超声速飞行器动力学系统具有很强的非线性,常用的频域分析方法不适用于非线性系统,而稳定性的好坏关乎系统在扰动下是否容易发生危险。针对上述的问题,本文运用流形方法对高超声速飞行器进行稳定性分析,确定了安全边界并提取流形设计参数,对边界及其参数随飞行器的稳定性进行了分析,最终说明了流形设计参数与传统稳定性分析方法的设计参数之间具体的数学规律,为在设计和分析高超声速飞行器过程中使用流形理论提供了理论依据,为确定高超声速飞行器的稳定边界并进行保护提供了新思路。     

高超声速飞行器姿态控制研究进展与展望

结合高超声速飞行器发展状况,对其姿态控制问题的研究进展进行归纳总结。首先,对高超声速飞行器现有的姿态动力学模型进行分类,总结了当前高超声速飞行器模型的几类常用的构型,以及使用较多的动力学模型。其次,详细分析了目前高超声速飞行器姿态控制系统设计所面临的主要控制问题以及相应的对策。最后,对高超声速飞行器姿态控制设计进行展望。     

基于扰动观测器的高超声速飞行器递阶滑模控制

针对存在扰动、执行机构死区非线性以及系统不确定性的高超声速飞行器巡航飞行纵向通道模型,提出了带有新型非线性扰动观测器的递阶滑模控制器。递阶滑模控制器采用多层终端滑模面的回归结构,能够保证系统跟踪误差在有限时间内收敛到0. 将执行机构的死区非线性简化为输入的未知扰动,对于系统中存在的由扰动和不确定性产生的复合扰动,设计了新型非线性扰动观测器,补偿作用避免了通过增大系统增益提高控制系统抗扰动性能,同时观测器可以对死区非线性产生的系统扰动进行观测,消除死区非线性对控制系统的影响。理论证明了观测值误差为渐进收敛。基于Lyapunov理论对带有扰动观测器的综合控制系统进行稳定性证明。理论分析和仿真结果表明,该控制策略对高超声速飞行器具有较好的控制作用。     

高超声速飞行器气动耦合特性分析与补偿控制

针对高超声速飞行器具有强耦合、控制器设计困难的问题,主要分析了飞行器的气动耦合特性,并在其基础上进行了耦合补偿控制器的设计。首先建立了高超声速飞行器的运动模型,并对气动模型进行了初步分析;然后利用对角优势阵理论对飞行器的气动耦合特性进行了详细分析,得到了稳定力矩耦合、阻尼力矩耦合以及操纵力矩耦合特性随马赫数、攻角及舵偏角的变化规律;最后,结合气动耦合特性设计了耦合补偿控制器,并进行了仿真验证。仿真结果表明,耦合补偿控制器的设计能有效降低飞行器三通道之间的气动耦合,提高了控制系统的动态响应能力和控制精度。     

具有不确定性的高超声速飞行器自适应反演控制

针对飞行器存在气动参数较大的不确定性和外界强干扰的问题,研究了临近空间高超声速飞行器的飞控系统设计问题.首先建立考虑干扰的动力学模型,其次给出一种自适应反演控制律的推导过程,该控制律基于反演思想,并在每一步计算中利用自适应调节函数补偿未知干扰,通过Lyapunov理论对系统稳定性进行证明,最后仿真结果证明了该控制律的有效性和可行性.     

基于SDRE方法的高超声速飞行器姿态控制

针对高超声速飞行器的姿态运动中强耦合的现象,利用动稳定判据,得到飞行器的控制需求。采用状态相关黎卡提方程(State-Dependent Riccati Equation,SDRE)方法进行控制,并且与传统的PID控制方法设计的控制器进行对比分析。仿真结果表明SDRE方法具有一定的鲁棒性,较PID方法有一定的优势。