导弹协同作战编队队形最优保持控制器设计

针对导弹编队协同作战的任务需求,采用最优控制理论设计了导弹的编队队形保持控制器。首先,从导弹协同作战体系的角度分析了导弹编队队形控制系统的构架;然后基于导弹在相对坐标系下的运动关系,建立了导弹的相对运动模型,这种建模方式可使弹间相对运动过程的物理意义明晰;最后在从弹自身控制系统闭环稳定的前提下,视领弹的运动状态为输入扰动,基于弹间相对运动模型采用线性二次(LQ)最优控制理论设计了导弹编队飞行保持控制器。仿真结果表明,该控制器能够克服输入扰动、模型常值扰动以及线性化偏差,可实现对协同作战任务规划系统提出的期望导弹编队队形快速、稳定的调整与保持控制。

导弹协同作战编队飞行控制系统研究

提出了具有3个回路的导弹协同作战编队飞行控制系统,分别对3个回路进行设计分析,并重点分析导弹的四维制导控制外回路和编队控制回路。面向具有过载自动驾驶仪内回路的增广飞控系统,设计了基于总能量控制理论的高度/速度解耦控制器,能够实现导弹制导控制外回路的高度/速度解耦。基于导弹编队队形的位置偏差关系设计了导弹编队控制器,最后综合3个回路构成了导弹编队飞行控制系统。仿真结果表明,各回路以及导弹编队控制系统具有很好的控制性能,能够快速、稳定地完成导弹编队的队形调整动作,进而实现任务规划系统对导弹编队提出的作战任务。

运载火箭主动段自适应增广控制

针对运载火箭上升段在复杂飞行环境、大不确定性干扰和振动等因素的影响下,传统PID控制方法难以满足高品质控制需求的问题,进行了自适应增广控制(AAC)方法研究,以实现对运载火箭姿态的精确控制。在深入分析自适应增广控制系统整体构架的基础上,通过标称PID控制器设计与基于粒子群优化(PSO)的数字滤波器设计实现了刚体控制及对弹性振动的抑制;继而针对大范围干扰、不确定性和由于滤波器切换产生的弹性振动影响,设计了在线调整算法自适应调节PID控制增益,并对其工作机理与参数设计原则进行研究;然后设计干扰补偿回路和主动减载回路以减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响;最后在弹性振动、风干扰和参数不确定性等因素同时作用的状态下进行仿真分析,验证了自适应增广控制系统能够有效应对运载火箭主动段复杂飞行环境的影响,大幅度提升综合控制性能,具有理论研究意义与工程应用价值。

导弹对跑道封锁概率及进入角偏差计算方法研究

针对智能导弹对机场跑道的切割封锁模式,以概率积分的方法描述存在进入角偏差和开舱点位置偏差时的封锁效能问题。在导弹开舱点位置偏差确定的情况下,应用封锁概率反验计算进入角偏差的允许范围。由计算结果知,该方法能够体现智能导弹对跑道的封锁效果以及确定进入角偏差范围,可为智能导弹的沿途打击任务分析提供一定依据。

布撒器对机场跑道的封锁方式及概率分析

相对于传统的均分空间封锁机场跑道方式,研究了切割封锁方式下跑道的毁伤效能问题.以概率积分的方法分析了仅存在开舱点位置偏差时,该文模型对应的3种不同的布撒形式下,布撒器对机场跑道的横向封锁概率、纵向封锁概率以及整条跑道的封锁概率,并进行了仿真计算.仿真结果表明,最优的布撒方案为下抛—侧抛—侧抛(侧抛—侧抛—下抛)形式.研究结果可为布撒器的总体设计提供依据.

本科专业课交互式反馈触动VR教学系统构建——以航空航天本科专业课为例

航空航天类专业的限制使得本科学生缺少参与工程实践的机会,直接影响了专业课的教学效率。基于5G/VR技术,研究构建一种可在教师—模拟设备—学生间实现信息高效反馈触动的教学系统,该系统内置高保真虚拟实验条件与场景,可模拟多种复杂物理过程。通过结合理论知识的工程应用触动操作,学生可完成理论与实践相结合的深层认知学习。该系统的构建与应用可大幅提高学生的实践参与度、理论感知度和知识掌握度,对于实现本科教学改革、提升专业课教学效率具有重要意义。

弹性体运载火箭建模及控制器设计

考虑运载火箭飞行过程中的弹性振动特性,对运载火箭进行全量动力学建模以及控制器设计。首先将运载火箭考虑为一维梁模型并建立全量动力学模型,分别引入自适应滤波姿态控制算法和H_2范数鲁棒增益调度控制算法设计控制器。仿真结果表明:在考虑舵机非线性情况下两种控制方法均能够满足精度要求,在具有较大外部扰动情况下,鲁棒增益调度控制算法相较于自适应滤波算法具有较强的鲁棒性。

潜射导弹水下运动过程仿真分析

为保证潜射导弹在不确定的海洋环境中能顺利出水,建立了潜射导弹水下及出水运动数学模型,对冷、热2种发射形式的导弹在无控、PID全程控制、模糊PID分段控制3种状态下的水下运动情况进行了仿真分析.结果表明,低海况下的海浪对导弹的出水姿态影响较小,高海况则不适宜进行导弹发射任务;在不确定的海况影响下,模糊PID分段控制较PID全程控制更适合对导弹的出水姿态进行控制.

可重复使用运载器大姿态机动自抗扰控制

针对可重复使用运载器大俯仰角或偏航角转弯机动而产生的姿态角奇异的控制问题,提出了基于四元数的自抗扰控制方法。通过两级跟踪微分器从期望四元数中逐步得到三通道解耦的角加速度信号,然后利用扩张状态观测器观测模型中的不确定项,最终采用动态逆得到解耦的三通道发动机等效摆角或RCS(Reaction Control System)等控制信号,并设计了数字滤波器对弹性振动与液体晃动信号进行滤波处理。考虑到系统模型具有非线性、不确定性、11阶弹性振动、一阶液体晃动、风干扰和气动偏差等多种外部扰动条件,对可重复使用运载器从主动段到再入飞行段进行了非线性六自由度仿真分析。仿真结果表明,基于四元数的自抗扰姿态控制器具有快速、平稳、超调量小、抗干扰能力强、无系统抖振且控制参数较少的特点。

基于混合优化的运载器大气层内闭环制导方法

针对运载器大气层内最优闭环制导问题,研究了一种将求解最优控制问题的间接法与直接法相结合求解最优上升轨迹的轨迹在线规划与闭环制导方法。该方法采用高斯伪谱法求解基于间接法推导的最优上升轨迹两点边值问题,能以较少的离散节点获得较高的求解精度,并具有较高的求解效率。为了进一步保证制导的实时性与飞行安全要求,提出了轨迹在线规划与闭环制导策略。最优上升轨迹求解结果表明,在同等的求解精度条件下,混合优化算法的离散节点个数仅为间接法的25%-40%,计算效率提高了50倍左右。建立导航模型进行闭环制导蒙特卡洛打靶仿真,制导算法满足实时性与过程约束要求,关机点高度、速度、弹道倾角及轨道倾角的最大偏差分别为-8.93 m、-3.35 m/s、0.015°、0.0018°,算法具有较高的制导精度。

基于RRT-GPM两阶策略的导弹编队协同突防最优轨迹快速设计

为了提高导弹编队的自主飞行能力,在考虑弹间协同相对运动关系(通信、避碰、探测)和突防硬/软约束的情况下,对弹群的多约束快速轨迹优化问题进行了研究。针对高斯伪谱法初值确定困难和快速搜索随机树法结果曲折不寻优难以满足动力学约束的不足,通过对高斯伪谱法快速性的分析和初值选取方法的研究,提出了快速搜索随机树+高斯伪谱法两阶快速轨迹优化策略,充分利用快速搜索随机树法的全空间搜索能力为高斯伪谱法提供寻优初始值,同时利用高斯伪谱法的快速性和最优性对快速搜索随机树法的结果进行平滑和进一步寻优,从而快速获得最优的弹群飞行轨迹。领-从弹编队飞行模式下的仿真结果表明,两阶策略能够快速获得满足各种约束的弹群最优飞行轨迹,优化时间约为单独高斯伪谱法所需时间的20%左右,很大程度上提高了轨迹优化的快速性和准确性,并且证明了不同约束条件对优化速度和优化结果的影响。

导弹协同作战四维制导控制研究

提出了具有三个剖面的导弹协同作战四维制导控制构架。以BTT控制形式的导弹为例进行了四维制导控制方法研究。在分析总能量控制理论的基础上,设计了适于具有过载自动驾驶仪内回路的BTT导弹的速度/高度解耦控制器,实现了四维制导构架中速度和高度剖面的解耦,最后进行了仿真验证。仿真结果表明,四维制导控制器能够根据任务规划系统的指令控制导弹实现协同作战。

利用弹上器件测风方法

导弹子母弹携带的子弹药战斗部在开舱之后受到风况的影响很大,需要对子弹药的落点进行修正控制以提其的作战效能。针对这一需求,研究了适用于导弹稳定平飞阶段的常值风测量方法。根据导弹弹体姿态"随风飘"的特性,提出了一种只利用弹上器件的测风方案,并以水平面内的常值风为例,以概率统计的方法进行了测量误差分析。计算分析结果表明,若在导弹开舱之前稳态平飞阶段内,根据弹上组合导航系统和空速表的多次测量值进行简单的计算处理,测风误差将大大减小。该方案简单可行,易于实现,具有一定的工程应用价值。

基于滑模观测补偿的四旋翼飞行器鲁棒动态逆控制

四旋翼飞行器为欠驱动形式,其模型存在强耦合、大不确定性的特征,需设计具有强抗扰和强鲁棒能力的控制器以提升四旋翼飞行性能。首先建立包含结构参数不确定性的四旋翼飞行器动力学模型,分析其特性并基于时标分离原则进行模型的双回路划分。利用小角度假设对模型进行线性化处理并求取模型的状态空间表达形式,给出满足不确定性区间内稳定控制要求的鲁棒控制律,并采用Lyapunov理论进行控制律的全局收敛性证明。为增强控制器的抗扰性,利用Super-twisting算法设计了滑模干扰观测器对外部扰动进行观测并予以补偿。仿真结果表明,所设计的基于滑模观测补偿的鲁棒动态逆控制器在应对较大结构不确定性和外部扰动情况具有良好的控制品质。

火箭垂直返回双幂次固定时间收敛滑模控制方法

垂直起降可重复使用火箭返回飞行时受到复杂扰动和强不确定性影响,其姿态系统呈现出强非线性和高动态的特点.为克服扰动影响实现对姿态角指令的快速高精度跟踪,提出了一种基于双幂次固定时间收敛滑模面和固定时间收敛扰动观测器的快速高精度姿态跟踪控制器.对于返回飞行姿态控制系统中的有界匹配扰动,为避免观测器的调节过程影响控制系统的性能,在控制器的设计中引入了固定时间收敛扰动观测器,从而实现了对扰动的快速高精度估计;为实现姿态跟踪控制器的固定时间收敛,给出了基于双幂次修正项的一种双幂次固定时间收敛滑模面;基于观测器输出和双幂次固定时间收敛滑模面设计了快速姿态跟踪控制器,通过引入固定时间收敛扰动观测器的输出以补偿扰动影响,从而在允许的精度损失下去除不连续控制项以抑制滑模抖振.最后通过返回飞行大气层内气动减速段的数值仿真验证了观测器和基于固定时间收敛扰动观测器的固定时间收敛滑模跟踪控制器的性能.

运载火箭自适应增广抗扰减载控制

针对运载火箭上升过程中大干扰和不确定性影响将导致姿态跟踪误差大,以及弹性振动等附加动力学影响明显的问题,设计了自适应增广抗扰减载控制系统,以实现运载火箭姿态的精确控制。首先建立了运载火箭纵向运动模型和弹性振动模型,然后以标称PID(Proportion Integration Differentiation)控制和自适应增广控制(Adaptive Augmenting Control,AAC)为基础,设计干扰补偿回路和主动减载回路减小内外扰动、弹性振动和风载荷影响;最后在风干扰、参数不确定性和弹性振动影响下进行仿真分析。仿真结果表明,与传统PID控制相比,本文设计的自适应增广抗扰减载控制系统能够适应复杂环境的影响,可提高控制精度和稳定性,具有较强的工程应用价值。

修正增益卡尔曼滤波算法在被动测距问题中的应用

在采用被动导引头的导弹突防过程中,准确并及时地得到自身距离拦截器的距离信息,是制定导弹突防策略的关键。针对采用红外成像装置作为测量手段的飞行体,研究了利用红外成像装置观测空中运动目标所获得的目标视线角信息,采用修正增益卡尔曼滤波算法从目标视线角信息中提取出一定精度的飞行体至目标的距离信息的被动测距问题。文中给出了四种不同计算工况下的仿真结果曲线。仿真算例验证了被动测距方法的有效性,证明了载体进行机动有助于被动测距精度的提高。

垂直起降可重复使用运载器发展现状与关键技术分析

重复使用运载技术是降低单次发射成本、提高发射密度和减少残骸危害的有效手段,随着以Falcon 9系列为代表的垂直起降运载器的成功回收与重复使用,其在商业航天发射市场表现出了较强的竞争力,掀起了可重复使用运载器的研究新热潮。首先梳理了垂直起降可重复使用运载器的发展现状,然后结合垂直起降运载的任务特征分析了其关键技术,最后总结了垂直起降运载器的发展趋势。

基于概率的运载火箭控制系统设计方法研究

针对传统的控制系统极限偏差设计方法导致运载火箭余量大、总体性能下降的问题,综述了基于概率的控制系统设计方法的国内外研究现状,论述了运载火箭控制系统概率设计的基本思想及设计流程,基于概率密度函数建模理论,建立了通过实际控制指令来控制概率密度函数拟合权值的状态空间,并基于最小二乘方法对状态空间中的参数进行了辨识,进而建立了密度函数成型控制模型,提出了基于最优控制理论的运载火箭控制器设计方法,最后通过仿真验证了理论方法的有效性,为我国运载火箭控制系统的精细化设计提供了理论依据。

基于最优解析解的机载布撒武器弹道优化

为解决机载布撒武器射程有限,而防空体系的拦截距离则不断增大,投弹载机被击落的风险越来越大的问题,本文建立了机载布撒武器纵向平面内滑翔飞行运动方程,并基于最优控制理论构造了约束布撒武器末端速度和飞行距离的性能指标泛函,然后根据哈密尔顿原理推导了最优滑翔弹道参数的解析形式.通过与直接打靶+SQP算法的数值直接优化方法进行对比分析,验证了本文所研究的解析形式最优弹道参数求解方法具有更高的计算效率和精度.