高超声速飞行器姿态控制系统设计

研究气动特性是飞行器姿态稳定性的保证,高超声速飞行器采用姿态控制有助于提高作战效能及生存能力.针对高超声速飞行器作战环境复杂,大气密度偏差大、力/力矩系数不准确造成气动参数偏差较大等特点,采用参数空间方法来设计姿态控制系统.首先建立适用于姿态控制系统的高超声速数学模型,在高超声速气动特性条件下,提出三回路姿态稳定控制系统,根据参数空间方法的原理设计出各回路控制器,最后进行仿真分析验证控制系统的性能.仿真结果表明当气动参数存在较大偏差时,采用基于参数空间法设计的高超声速姿态控制系统可以确保对指令的精确跟踪,并且具有较强的鲁棒稳定性.     

高超声速飞行器姿态的变结构控制

针对高超声速飞行器运行环境中气动参数大范围变化可能导致失稳现象,构建高超声速飞行器姿态的滑模变结构控制器。通过多时间尺度理论将飞行器姿态控制系统分为内外双闭环子系统,分别为内外环设计滑模姿态控制律,保证控制系统对气动参数变化不敏感,能稳定准确地跟踪期望姿态角指令。仿真结果表明所提滑模变结构姿态控制算法性能良好,对气动参数变化有一定的鲁棒性。     

高超声速飞行器非线性鲁棒控制律设计

高超声速飞行器具有模型非线性程度高、耦合程度强、参数不确定性大、抗干扰能力弱等特点,其自主控制具有较大的挑战.论文提出了一种基于鲁棒补偿技术和反馈线性化方法的非线性鲁棒控制方法.文中首先采用反馈线性化的方法对纵向模型进行输入输出线性化,实现速度和高度通道的解耦和非线性模型的线性化.针对得到的线性模型,设计包括标称控制器和鲁棒补偿器的线性控制器.基于极点配置原理,设计标称控制器使标称线性系统具有期望的输入输出特性,利用鲁棒补偿器来抑制参数不确定性和外界扰动对于闭环控制系统的影响.基于小增益定理,证明了闭环控制系统的鲁棒稳定性和鲁棒跟踪性能.相比于非线性回路成形控制方法,仿真结果表明了所设计非线性鲁棒控制算法的有效性和优越性.     

高超声速飞行器及其飞行状态控制

概述了高超声速飞行技术研究的意义及发展现状,从气动外形、推进手段及气动热效应等方面探讨了高超声速飞行器飞行状态控制面临的挑战;从空气动力学理论、仿真手段、工作环境及流场特性方面指出飞行器飞行状态描述的复杂性,在回顾并评价目前高超声速飞行器飞行状态控制策略的基础上,提出了以工作环境及飞行速率为变量的多模型建模方法描述飞行器的飞行状态,以机理建模和伪动力学建模综合应用的方法建立飞行器高超声速飞行状态模型的思路,并针对其高超声速飞行特点探讨了可能的控制策略。     

高超声速飞行器调度双模预测控制方法

针对一类具有大包线飞行和快时变特性的高超声速飞行器,采用多个线性时变(LTV)多胞模型近似地描述高超声速飞行器的纵向非线性模型.对于各LTV多胞模型,离线设计局部双模预测控制器来显式地处理控制输入和状态的约束问题,并获得相应的稳定域.然后,构造各局部控制器间稳定的切换策略.仿真结果表明,所提方法在控制输入和状态满足给定的约束范围情况下,不仅能更快地跟踪较大范围的速度和高度的指令信号,而且大幅减少了在线计算时间.     

高超声速飞行器跟踪技术综述

近年来,临近空间高超声速飞行器受到了世界各军事强国的广泛关注,发展迅速.本文也正是在此背景下,针对临近空间高超声速飞行器,在介绍机动目标跟踪基本原理的基础上,归纳并总结近年来机动目标跟踪算法的研究情况,从建立合理的机动目标模型和改进滤波算法两个方面提出改进思路,为临近空间高超声速目标跟踪系统的设计与开发提供理论上的探索与支持.     

高超声速飞行器最优PI-Hinf控制器设计

研究高超音速控制器优化问题,由于控制系统存在较强鲁棒性和非线性,用传统方法寻优计算量大,影响实时控制.为解决上述问题,采用最优比例积分H无穷(PI-Hinf)二环控制方法对高速飞行器构型的输入/输出线性化模型进行了控制器设计.控制方法能有效地抑制模型参数不确定性带来的扰动并使系统达到很好的静态性能.对模型进行仿真,结果表明,所设计的控制器具有较强的鲁棒性,可以满足飞行器在复杂条件下飞行的控制要求,达到0误差的跟踪精度,为设计提供了依据.     

基于模糊系统的高超声速飞行器预测控制

高超声速飞行器跨临近空间飞行,具有高超声速、参数时变等特征。本文针对具有大范围时变参数的高超声速飞行器,为使其能有效地跟踪飞行器的高度和速度指令,将基于模糊系统的预测控制应用于高超声速飞行器的轨迹控制中,给出了详尽的设计方法。根据系统的跟踪误差在线调整模糊系统的权值,使其一致逼近高超声速飞行器模型中的未知非线性函数,基于李亚普诺夫原理,推导了规则参数调整的自适应律。仿真结果表明该算法对系统的不确定性有较强的鲁棒性,使高超声速飞行器控制系统具有较好的动态与静态品质,可应用于临近空间飞行器轨迹控制等领域。     

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.     

高超飞行器的再入非线性鲁棒控制

针对再入段高超飞行器非线性动力学模型存在不确定性和干扰,基于奇异摄动理论提出了鲁棒变结构+动态逆内外环解耦控制方法.为避免在线实时求逆,控制系统的外环基于简化的模型设计自适应滑模变结构控制律,通过反馈干扰观测器在线估计广义干扰量,实现角度的跟踪和闭环系统的稳定,抑止外来干扰.强耦合的姿态动力学内环采用动态逆跟踪角速度指...     

Adaptive fault-tolerant control for a class of flexible air-breathing hypersonic vehicles

In this paper, a novel adaptive fault-tolerant control (FTC) scheme is proposed for a class of flexible air-breathing hypersonic vehicles with unknown inertial and aerodynamic parameters and even input constraints. The fault model under consideration covers the case that all actuators suffer from unknown time-varying faults. In the controller design and stability analysis, we introduce new Lyapunov functions, some differentiable auxiliary functions, a bound estimation approach, and a Nussbaum function, which help us successfully circumvent the obstacle caused by the faults, input constraints, and flexible modes. In addition to higher reliability, the proposed scheme is able to ensure that all closed-loop signals are globally uniformly bounded and to steer the tracking errors of altitude and velocity into predefined arbitrarily small residual sets. As a result, the tracking accuracy can be designated in advance. Simulation results illustrate the effectiveness of the proposed scheme.     

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.     

Robust tracking control for an air-breathing hypersonic vehicle with input constraints

The focus of this paper is on the design and simulation of robust tracking control for an air-breathing hypersonic vehicle (AHV), which is affected by high nonlinearity, uncertain parameters and input constraints. The linearisation method is employed for the longitudinal AHV model about a specific trim condition, and then considering the additive uncertainties of three parameters, the linearised model is just in the form of affine parameter dependence. From this point, the linear parameter-varying method is applied to design the desired controller. The poles for the closed-loop system of the linearised model are placed into a desired vertical strip, and the quadratic stability of the closed-loop system is guaranteed. Input constraints of the AHV are addressed by additional linear matrix inequalities. Finally, the designed controller is evaluated on the nonlinear AHV model and simulation results demonstrate excellent tracking performance with good robustness.     

需求和退货波动环境下库存控制

随着需求和退货波动的增大, 如何有效控制库存, 成为当前零售企业管理者亟待解决的难题. 在库存水平动态变化表示为Markov调制Lévy过程条件下, 利用水平穿越和多维鞅理论, 分别确定了库存水平分布及循环期望费用和时间函数, 在此基础上, 构建了系统长程平均费用率模型. 最后, 通过仿真试验, 对比了3种订货策略下需求和环境状态变化系统的性能, 并分析了退货对最优控制策略的影响. 进而, 得到一些重要的库存管理启示.     

基于非线性干扰观测器的高超声速飞行器滑模反演控制

针对高超声速飞行器非线性、强耦合和参数不确定弹性体模型,提出了一种基于非线性干扰观测器的滑模反演控制方法.将飞行器曲线拟合模型分解为速度子系统和高度相关子系统并表示为严格反馈形式,分别采用滑模和反演方法设计实际控制量与虚拟控制量.采用1阶低通滤波器获取虚拟控制量的导数,解决了传统反演控制方法"微分项膨胀"问题.基于改进滑模微分器设计了一种新型非线性干扰观测器,以此对模型不确定项进行估计和补偿.仿真结果表明,该控制器对模型不确定性和气动弹性影响具有鲁棒性,且实现了对速度和高度参考输入的稳定跟踪.     

Sensor cascading fault estimation and control for hypersonic flight vehicles based on a multidimensional generalized observer

This study presents a sensor cascading fault estimation and fault‐tolerant control (FTC) for a nonlinear Takagi‐Sugeno fuzzy model of hypersonic flight vehicles. Sensor cascading faults indicate the occurrence of source fault will cause another fault and the interval between them is really short, which makes it difficult to handle them in succession. A novel multidimensional generalized observer is used to estimate faults by integrating constant offset and time‐varying gain faults. Then, a fault‐tolerant controller is used to solve system nonlinearity and sensor fault problems. The observer and controller satisfy the performance index and are robust to external disturbances. A sufficient condition for the existence of observer and controller is derived on the basis of Lyapunov theory. Simulation results indicate the effectiveness of the proposed fault estimation and FTC scheme.     

模糊自适应的高超飞行器控制与干扰

针对具有超大飞行马赫数、超宽飞行包络、飞行环境复杂等特点的高超声速飞行器,提出了基于模糊自适应的高超飞行器高度控制方法,分别设计了高度和速度控制器.针对所设计的控制器,分析了气动干扰力矩、测量噪声、舵机干扰、气动参数不确定性和飞行器模型参数不确定性对飞行器高度控制和速度控制效果的影响,然后又分析了综合考虑以上干扰和不确定性对飞行器高度控制和速度控制效果的影响.仿真结果表明,对各种干扰和不确定性,所设计的控制器速度和高度控制有较好的跟踪性和鲁棒性,达到了满意的效果.     

基于随机鲁棒设计的高超音速飞行器线性二次型控制

针对高超音速飞行器具有高度非线性、输入输出之间强耦合以及参数不确定等特点,提出了基于随机鲁棒设计的线性二次型控制。这一控制方案基于系统控制需求,利用蒙特卡罗仿真方法建立随机鲁棒目标函数,并通过遗传算法优化控制系统设计参数。该控制方案保证了飞行的纵向稳定性,改善了其控制性能。基于某常规高超音速飞行器纵向模型进行仿真验证,结果表明该方案能够满足系统控制需求且具有强鲁棒性。