高超声速变外形飞行器建模与固定时间预设性能控制

以一种折叠式高超声速变外形飞行器(Hypersonic morphing vehicle, HMV)为研究对象,综合考虑变形引起的气动特性、动力学特性的动态变化和模型不确定性、外部干扰的影响,开展飞行器建模与固定时间预设性能控制方法研究.首先,建立高超声速变外形飞行器的运动模型和姿态控制模型;然后,采用固定时间干扰观测器实现对模型不确定性和外部干扰构成的复合总扰动的精确估计,并设计一种新型固定时间预设性能函数以定量描述期望性能约束,在此基础上,基于预设性能控制架构并结合动态面控制技术设计预设性能姿态控制器,利用Lyapunov稳定性理论证明闭环系统的固定时间稳定性;最后,通过数值仿真验证所提出方法的有效性和鲁棒性.

变外形滑翔制导炮弹的气动外形多目标优化

为提高滑翔制导炮弹在爬升段和滑翔段的气动弹道性能,实现大幅度增程的目的,基于尾翼变后掠变展长的形式对常规固定外形的滑翔制导炮弹进行变外形设计。采用Missile Datcom作为气动计算工具,以尾翼展长和后掠角作为变形参数,并调整舵翼的外形参数,基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法对滑翔制导炮弹的爬升段(优化目标为弹丸的零升阻力系数和静稳定储备量)和滑翔段(优化目标为弹丸的升阻比和操纵比)分别进行了变外形多目标优化设计,最终获得各飞行段的最优外形方案。数值仿真结果表明:优化后的变外形方案可明显改善该滑翔制导炮弹各飞行段的气动弹道性能。在本文设定的飞行条件下,爬升段阻力系数降低了13.3%,滑翔段升阻比增大了36.1%,弹丸在整个飞行过程中稳定性适当,且稳定性和操纵性、舵偏角与平衡攻角匹配较好;相较于基准固定外形方案,滑翔控制条件下采用变外形方案的滑翔制导炮弹射程增加了8.4%,增程效果显著。本文工作为滑翔制导炮弹的变外形方案设计提供了参考。

基于深度强化学习的变外形飞行器姿态控制

针对外界干扰和模型不确定性影响下的高超声速变外形飞行器,提出了一种基于深度强化学习的多通道端到端姿态控制方法。首先,建立了高超声速变外形飞行器姿态控制模型;其次,将飞行器姿态控制问题转化为马尔科夫决策过程;再者,基于双延迟深度确定性策略梯度算法开展了智能体训练,并将端到端生成的飞行控制指令进行了在线部署;最后,通过基本性能仿真和适应性仿真验证了所提出方法的有效性和泛化能力。

基于蚁群优化的长短时神经网络变外形飞行器故障模式识别

变外形飞行器机械结构复杂,在变外形过程中发生故障的概率大,传感器测量成本高,针对这些问题,提出了一种基于长短时神经网络进行飞行器测试故障诊断的方法。首先根据变外形飞行器的气动参数模型和非线性动力学模型,构建变外形飞行器执行机构故障特征数据库。然后针对变外形飞行器发生故障时的序列化特征数据,提出基于长短时神经网络的执行器故障诊断框架。利用蚁群优化算法对网络训练的超参数进行优化,提高故障诊断的准确性与泛化性。通过仿真验证了该方法可实现变外形飞行器的低成本、高效率、高精度的故障快速定位。

变外形航弹离散滑模倾斜转弯自动驾驶仪设计

为提高变外形航弹倾斜转弯控制系统对弹翼作动影响的鲁棒性能,提出了一种基于离散滑模控制原理的倾斜转弯自动驾驶仪设计方法。建立了航弹倾斜转弯控制仿射模型,针对该模型中存在的时变特性与耦合问题,通过反馈线性化方法对原系统进行解耦并离散化处理,将由后掠角采样值误差引起的各动力学系数偏差项作为模型不确定扰动,设计了变外形航弹的离散滑模倾斜转弯自动驾驶仪。仿真结果表明,所设计的离散倾斜转弯控制系统实现了各通道的解耦控制,对时变参数摄动具有良好的鲁棒性能,验证了对指令跟踪的动态延迟和误差与采样周期有关,实际选取时需综合考虑实际硬件性能与期望的指令跟踪精度要求。

基于反演变结构方法的变外形导弹控制系统

根据变外形导弹外形可变的特性,提出了导弹动力学建模的多刚体系统动力学方法;针对外形变化对导弹自身运动的影响,以及大攻角飞行时存在的非线性、强耦合和不确定性等问题,将反演递推设计思想与滑模变结构控制相结合,设计了变外形导弹强鲁棒控制器。仿真结果表明,该方法可以有效地抑制外形变化对导弹运动的影响,以及参数不确定性、上界已知的非匹配不确定性以及随机干扰带来的影响,具有较强的鲁棒性。

高超声速变外形飞行器建模与有限时间控制

针对高超声速变外形飞行器变形带来的参数摄动大、变形过程建模难、外界干扰复杂等大不确定问题,研究了一类可变后掠飞行器建模与姿态控制问题,设计了一种有限时间控制方案。针对变外形飞行器建立了带有变形量的面向姿态控制的三自由度模型,该模型能够反映出变外形飞行器的内在影响。分析了变外形飞行器在典型状态下的气动特征,并给出了连续变形关键气动数据可行处理方案。针对可连续变形的飞行器设计了一套有限时间控制方案,并证明了系统稳定性。进一步考虑控制律中用到的指令微分项,设计了有限时间指令收敛滤波器。利用扩张状态观测器,估计不易测量状态和“综合扰动”。以考虑复杂干扰下的高超声速变外形飞行器为对象进行仿真,结果表明:所设计的控制方案可解决不同变形速率下、存在复合干扰的飞行器姿态控制问题。

基于变精度模型的变外形飞行器弹道优化

变外形飞行器在飞行过程中可以根据需要灵活改变自身的气动外形以适应飞行条件的变化,与传统的固定外形飞行器相比,具有非常明显的优势。针对一种机翼后掠角和轴向位置可改变的变外形飞行器,提出了基于变精度模型的求解流程,并对其最优弹道和变形规律进行了研究。将攻角、马赫数、后掠角和机翼轴向位置定义为生成训练数据的变量,建立了满足精度条件的变精度Kriging模型来预测飞行器的气动性能。将该模型作为hp自适应伪谱法的气动输入,建立了变形规律优化求解流程,并分别对固定翼飞行器和变外形飞行器以最少燃料消耗为目标进行弹道优化。在满足飞行任务要求的同时,实现了变形参数、攻角和发动机控制参数等控制量的同时优化,结果表明变外形飞行器的爬升、下降效率较高,最优弹道具有明显的优势。同时,所提出的研究流程具有通用性,可以有效降低变外形飞行器的CFD计算成本,提高变外形飞行器弹道优化效率。

基于气动辅助变轨的变气动外形飞行器概念研究——最优控制律问题

从一个天地往返飞行器的上升轨道和再入返回轨道的优化,以及适用不同飞行任务的变轨要求的气动外形问题,提出一项基于气动力辅助变轨的变气动外形飞行器的新概念研究。对于一个固定气动外形飞行器要同时满足上升轨道有效载荷最大和再入轨道热流峰值、过载峰值及机动性能约束下的成本最低往往是困难的。若同时满足不同飞行任务:飞往太空站的运输任务、空间拦截和交会机动巡航任务及星际探测任务,则更为困难,实际上是不可能的。文章研究基于气动力辅助变轨,在热流约束下,气动外形参数变化对最优控制的影响。其结论为:热流约束下的最优控制解,包括考虑推力协同变轨,除了在非约束弧的滚转角不直接受气动外形影响外,其余的控制律,升力系数和滚转角都是气动外形参数和攻角的函数。因而变气动外形可作为一项新技术,即通过气动外形参数变化和相应的变轨策略而获得性能和成本都最佳的用途很广的一种新型飞行器。

电子束直写中X射线光刻掩模的热形变研究

对X射线掩模电子束制备图形过程建立三维有限元模型,提出用热流密度等效法简化瞬态热应力计算,得到了X射线掩模在电子束直写过程中的瞬态热形变。结果表明,掩模面内形变在直写过程中出现振荡变化,最大值为8.24 nm,方向背离电子束光照中心,掩模面外形变最大值为9.75μm,方向沿图形窗口法线方向,并出现在电子束束斑中心。

高超声速飞行器控制技术研究进展与展望

针对一类包含可变构型在内的高超声速飞行器的难点,分析了工程应用需求,综述了几类典型的非线性控制方法的研究进展。首先针对高超声速飞行器的几类常见研究模型,总结了模型来源及特点;其次,以实际工程需求为出发点,分析了此类飞行器的控制难点及对于控制系统能力提出的需求;再者,总结了高超声速飞行器几种典型非线性控制及智能控制研究的基本情况和进展,并给出了各类控制方案的框架;最后,面向未来任务形式多样化、环境复杂化的飞行器控制,讨论了可以进一步研究的问题和方向。

无模型自适应控制在飞行控制系统中的应用综述

飞行控制系统普遍存在难以精确建模的问题,而无模型自适应控制作为一种典型的数据驱动的控制方法,其控制律的更新仅依赖于系统的输出数据,在飞行控制系统中显示出广泛的应用前景。本文综述了无模型自适应控制在飞行控制系统中的近期发展。总结了该控制方法在处理飞行控制系统面对的不同挑战时给出的解决方案。针对用于执行在轨服务的航天器,即组合体飞行器,分析了无模型自适应控制方法的优越性,介绍了其应用和发展现状。对无模型自适应控制方法在飞行控制系统中的进一步应用与发展进行了展望。