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．     

高超声速飞行器姿态自适应解耦控制方法研究

研究飞行器优化姿态控制问题,高超声速飞行器具有的快时变、非线性、强耦合特性给姿态控制系统设计带来一定难度.针对飞行器的特性分析,将姿态动力学模型分解为姿态角与角速度跟踪的内、外两回路,采用动态逆方法设计了双回路控制系统结构,从而在实现完全解耦的同时有效降低了设计难度.同时针对动态逆方法过于依赖精确数学模型的局限性,设计PID神经网络控制器,利用神经网络的无限逼近能力调整自身网络权重矩阵参数值,使控制器对不确定因素与未知干扰具有一定的自适应能力.在标称和拉偏情况下进行仿真,结果表明,控制姿态角的跟踪超调量可在1.5％以内,侧滑角的耦合量不足1度,满足对飞行器控制优化的要求.     

高超声速飞行器多子分离建模仿真与分析

研究高超声速飞行器安全分离发射条件的确定是分离问题.腹抛多子分离过程,是根据矢量力学理论对子母分离体耦合运动进行12自由度多刚体动力学建模,得到描述分离过程的准确数学模型.以某高超声速多子分离再入飞行器为例,对分离进行全过程仿真,结果验证了提出的分离方法的正确性.仿真结果得到了分离高度对安全分离条件范围的影响,为高超声速多子分离发射过程的研究提供了参考和依据.     

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.

     

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.     

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.     

高超声速飞行器神经网络动态逆姿态控制器设计

以一类通用高超声速飞行器纵向模型为研究对象,推导了飞行器纵向姿态运动方程。考虑受到飞行器附加攻角扰动以及气动参数不确定性的影响,对运动方程中速率变化快慢不同的攻角和俯仰速率分别引入精确线性化动态逆反馈,并利用神经网络对系统逆反馈误差进行补偿,有效地抑制了模型参数摄动,实现了对攻角指令的精确跟踪。将设计的控制器对高超声速非线性模型进行系统闭环仿真,仿真结果说明所设计的姿态控制器具有抗参数摄动的性能,能够满足高超声速飞行器复杂飞行条件下的姿态控制要求,具有较强的鲁棒性。     

高超声速巡航飞行器推进系统建模与仿真

关于飞行器控制优化设计问题,在高超声速巡航飞行器概念研究中涉及多学科设计优化.为了开发出快速预测推进系统性能的超燃冲压发动机模型是非常必要的.在飞行器机身-发动机一体化和Cowl - to-tail气动-推进界面划分的基础上,分别建立了进气道内压段、隔离段、燃烧室、尾喷管模型以及发动机总体性能模型.应用一维流分析方法进行了高超声速巡航飞行器推进系统性能分析.最后以某类高超声速巡航飞行器为研究对象,进行了飞行器推进系统性能仿真.仿真结果表明建立的推进系统模型和使用的一维流分析方法用在飞行器概念研究阶段是可行、有效的,为优化飞行器推进稳定性控制提供参考.     

吸气式高超声速飞行器气动耦合干扰效应研究

研究飞行器与冲压发动机耦合干扰效率优化问题,由于吸气式高超声速飞行器机身与冲压发动机之间存在高度耦合,针对耦合效应不可避免对飞行器稳定性产生影响,为提高控制系统性能,提出飞行器机身与发动机之间的耦合干扰效应问题展开深入研究.在高超声速飞行器各部件无粘气动特性的基础上,采用尾气羽流分析模型研究机身与冲压发动机耦合干扰效应,并基于飞行器几何参数化模型进行仿真.结果表明分析模型能较精确地快速反应机身与冲压发动机之间耦合干扰效应,为吸气式高超声速飞行器机身/发动机一体化设计和控制系统优化设计及其动力学特性研究分析提供依据.     

A Novel Robust Flight Controller Design for an Air-Breathing Hypersonic Vehicle

A novel robust flight control design method is proposed for a generic air-breathing hypersonic vehicle based on a state-dependent Riccati equation technique and a nonlinear disturbance observer. The highly nonlinear dynamics of the hypersonic vehicle are firstly brought to a linear structure having a state-dependent coefficient form. And then a state-dependent Riccati equation is solved at each sampling moment to obtain a nonlinear feedback optimal control law. In order to enhance robustness of the closed-loop system, a nonlinear disturbance observer is introduced to estimate the uncertainty caused by parametric variations and external disturbances. The resulting composite controller achieves not only promising robustness and disturbance rejection performance but also flexible adjustment in the response time. Compared to a Kriging controller, the proposed controller has great advantages in the system response time and robustness. The feasibility of the proposed method is validated by simulation results.     

基于网格面元法的高超声速飞行器性能分析

在高超声速飞行器预先研究和概念设计阶段,目前缺乏足够的飞行试验数据和地面实验数据,根据实际飞行性能指标进行气动布局和总体性能优化设计是困难的.基于网格面元法的工程估算方法,是一种计算性能指标的方法,采用参数化建模建立其几何模型,基于几何模型分解法建立网格面元模型,采用工程估算方法计算气动力和雷达散射截面两个有代表性的性能指标.通过对仿真结果的分析表明,基于网格面元法的性能指标计算方法有效且速度快,满足了气动布局和总体性能优化设计中对性能指标计算速度和计算精度的双重需求.     

高超声速巡航飞行器动力学虚拟样机设计

在研制物理样机之前建立动力学虚拟样机,可以对已有的方案进行论证、对产品进行测试和评估以及全系统的合成仿真,能够有效的缩短研制周期和节约研制经费.详细划分了高超声速巡航飞行器动力学虚拟样机系统的层次结构,建立了样机子系统数学模型,并以此为基础,应用模块化设计思想,在仿真平台上实现了虚拟样机系统及其子系统的样机仿真模型设计.使用现有的高超声速巡航飞行器的总体方案对虚拟样机系统进行了仿真验证,通过对结果的比较分析可以得出,样机系统设计合理,将为高超声速巡航飞行器的研制提供重要技术支持.     

高超声速飞行器的神经网络动态逆控制研究

针对通用的高超声速飞行器的纵向动力学设计一个神经网络动态逆补偿控制方法,并对其进行了分析;这种飞行器模型具有高度非线性、多变量、不稳定的特性,包括6个不确定参数;在4.5903km高度和15马赫的平衡巡航条件下的仿真研究,评价了飞行器对高度和空速的阶跃变化的响应;阶跃变化为速度30 m/s,高度40 m;通过仿真结果表明,采用神经网络补偿逆误差,弥补了非线性动态逆要求精确数学模型的缺点,而且可以简化动态逆控制律的设计,改善整个控制系统的性能。     

Output Feedback Dynamic Surface Controller Design for Airbreathing Hypersonic Flight Vehicle

This paper addresses issues related to nonlinear robust output feedback controller design for a nonlinear model of airbreathing hypersonic vehicle. The control objective is to realize robust tracking of velocity and altitude in the presence of immeasurable states, uncertainties and varying flight conditions. A novel reduced order fuzzy observer is proposed to estimate the immeasurable states. Based on the information of observer and the measured states, a new robust output feedback controller combining dynamic surface theory and fuzzy logic system is proposed for airbreathing hypersonic vehicle. The closedloop system is proved to be semi-globally uniformly ultimately bounded (SUUB), and the tracking error can be made small enough by choosing proper gains of the controller, filter and observer. Simulation results from the full nonlinear vehicle model illustrate the effectiveness and good performance of the proposed control scheme.      

Finite-time Dynamic Surface Fault-tolerant Control for Hypersonic Vehicle with Mismatched Disturbances

International Journal of Control, Automation and Systems - This paper studies the tracking control problem of hypersonic vehicle in the process of external disturbance, parameters uncertainties and...     

一类新的动态车辆调度问题的建模与算法

针对目前对于动态车辆调度问题的研究仅集中于考虑时间依赖或依概率变化的情形,在对原有动态车辆调度问题模型进行总结的基础上,综合考虑了时间依赖且网络依概率变化,以及结合带有时间窗和随机需求的情况,提出了新的问题模型,并提出求解该问题模型的多目标随机机会约束规划模型,设计了用遗传算法解决该模型的方案与步骤。实验结果表明,所提出的模型可有效地拟合交通状况,设计的算法可以有效地求解该模型。