高超声速飞行器飞行控制技术研究综述

与传统的航空航天器相比,高超声速飞行器具有建模困难、不确定性大、参数剧烈时变、耦合严重以及异类执行机构等控制难点。针对上述五个方面的研究现状进行综述,首先概括了高超声速飞行器建模研究成果,给出了面向控制系统设计的仿射非线性模型;其次针对不确定性、参数时变和耦合等问题,总结相关控制方法的研究成果;最后,对异类执行机构复合控制问题进行了阐述和总结。

机动滑翔飞行器的自抗扰反步高精度姿态控制

从分析一种新型的临近空间机动滑翔飞行器的自身特点出发,将反步法和扩张状态观测器相结合,提出自抗扰反步姿态控制器的结构。通过改进的反步法设计标称模型的非线性控制,避免了内外环分离的假设,同时能够处理不匹配的不确定性。通过在反步法中引入指令滤波器和修正误差信号,使得伪控制量的导数可以轻易获得,简化了设计。利用非线性扩张状态观测器实时准确地估计大的快变的不确定性,并进行控制补偿,使控制器的鲁棒性和性能得到了很大提高。最后,对大飞行跨度的机动姿态控制进行了六自由度仿真验证,结果表明,自抗扰反步姿态控制器能够实现高精度指令跟踪。

考虑推进和气动弹性影响的高超飞行器的建模与控制

针对高超声速飞行器飞行的速度和高度跨度大、变化快,飞行动力学特性复杂;模型具有非线性,强耦合及不确定性的特点,建立了考虑推进及弹性影响的纵向模型,并提出了纵向模型的鲁棒协调控制器设计方法。该方法在典型高超声速飞行器几何结构基础上,针对机体/发动机一体化设计布局,结合高超声速气动力学和气动弹性有关理论,建立非线性纵向模型;通过分析模型的不确定性来源,对刚体-弹性耦合系统设计了基于线性二次型调节器的隐式模型跟随鲁棒协调控制器,从而保证飞行器在不确定干扰情况下的闭环系统稳定性。仿真结果表明,本方法所设计的控制器在给定的不确定性范围内具有良好的鲁棒性。

基于扰动观测器的高超飞行器建模及控制

提出了基于扰动观测器的高超声速飞行器控制器设计方法.针对高超声速飞行器的机体/发动机一体化设计布局、弹性轻质材料的广泛使用以及处于大高度和高马赫数的飞行条件的特点,建立了考虑推进及弹性影响的模型.在典型高超声速飞行器几何结构基础上,结合高超声速气动力学和气动弹性相关理论,建立了非线性纵向模型方程;分析模型不确定性的3种来源:参数、结构以及非结构,建立了非线性不确定模型;基于理论推导,采用基于扰动观测器的控制方法设计鲁棒控制器.仿真结果表明,本方法所设计的控制器在给定的不确定性范围内具有良好的鲁棒性.

飞行器集群协同制导控制方法及应用研究

分析了目前多飞行器协同作战的发展现状与趋势,指出了多飞行器以编队形式进行协调与配合,可以有效提高突防概率与作战效能。针对飞行器集群协同制导控制技术,分析梳理了相关的技术难点。然后,分别对协同任务规划与动态目标分配方法和多飞行器编队协同控制方法、多约束条件下的分布式协同制导方法的国内外研究现状进行了介绍。最后对飞行器集群协同制导控制技术进行了总结,并对未来的发展方向进行了展望。

高超声速再入滑翔飞行器的模糊变结构控制

针对高超声速再入滑翔飞行器的再入姿态控制,设计了模糊变结构姿态控制器.根据控制系统的任务,建立了面向控制的模型.将模糊控制与滑模变结构控制的思想相融合,研究了模糊滑模变结构控制器的设计方法.通过在稳定的误差相平面内构造稳定的滑模面,模糊控制器根据误差状态与滑模面的相对位置输出控制信号,使得系统的轨迹能趋近稳定的滑模面,从而使得误差沿着滑模面收敛到原点.将模糊滑模变结构控制方法应用于高超声速滑翔洲际飞行器,给出了再入滑翔姿态控制器的设计方案,分别对攻角、侧滑角和倾侧角设计了独立的模糊变结构控制器,提出了分段线性控制分配方法.在Matlab中进行了整个控制系统的仿真测试,验证了该方法的可行性.

临近空间高超声速飞行器鲁棒自适应控制方法

提出了一种新的将自适应滑模变结构控制与动态逆控制组合的鲁棒自适应的控制方法,用于临近空间高超声速飞行器的再入阶段飞行控制系统设计。用内外环动态逆控制将非线性飞行器对象近似解耦成不确定的3通道一阶线性系统,将所有不确定性转化为匹配的逆误差;由自适应滑模变结构控制给出动态逆的输入信号,消除逆误差的影响,保证对制导指令的鲁棒跟踪。某高超声速飞行器临近空间再入的六自由度仿真结果表明:控制器有较好的鲁棒性和跟踪性能。

参数不确定的高超滑翔飞行器自适应控制

高超声速滑翔飞行器再入段飞行具有高动态、飞行包线大、飞行环境复杂等特点,导致其存在严重的参数不确定性,这也就对控制系统的设计提出了挑战。为改善高超声速滑翔飞行器再入段姿态控制效果,首先分析了再入段飞行较大的未知性和不确定性主要来源,研究了参数不确定性的表示方法和高超声速飞行器的自适应控制方法。对现有控制的方法进行研究的基础上,提出采用非线性动态逆控制方法来构造标称控制器,非线性扩张状态观测器估计系统附加项的方法来估计参数扰动,并构造补偿控制器的方案。对纵向模型仿真验证,结果表明这种新型鲁棒自适应控制系统有较好姿态跟踪能力。

飞行仿真转台的完全跟踪控制

针对飞行仿真转台中传统插值和前馈方法对系统性能的限制问题,引入了完全跟踪控制策略.论述了飞行仿真转台完全跟踪控制器的设计方法.本文利用多速率采样系统的特性构造转台系统状态传递函数矩阵的精确逆矩阵,从而避免了采用近似逆模型的传统方案以及插值带来的限制,实现完全跟踪.利用鲁棒内回路补偿器理论以及系统动态跟踪误差的解析式分析说明了该方法在实际系统中存在建模误差、干扰和噪声的情况下,仍然能够保证系统的动态跟踪精度和良好的鲁棒性.对实际系统进行了设计与实验,结果证明了该方法的有效性.

多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术研究

分析了目前高超声速飞行器的发展现状和发展趋势,指出高超武器已经给现有的防空反导武器系统带来极大威胁和挑战。针对高超声速飞行器的拦截问题,分析梳理了相关的技术难点。为保证拦截成功,采用多枚拦截器编队拦截高超声速目标是目前高效可行的技术途径,而多临近空间拦截器自主协同制导控制技术则是关键技术。针对多临近空间拦截器编队攻击自主协同制导控制技术,分别从建模、决策规划、感知、制导、控制以及评估6个方面提出需要解决的关键技术问题。最后对多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术进行了总结与展望。

综合飞行/推进关键自动模态设计与品质评价

先进飞机的综合飞行/推进自动模态设计,是设计具有自动油门功能的自动驾驶系统,实现飞行速度的自动控制,使飞行员松开油门杆,实现真正意义的自动驾驶。以大型客机和运输机为背景,设计了综合飞行/推进关键自动模态,包括巡航模态、自动着陆模态、平飞加减速模态,实现姿态、速度和高度的保持与控制。同时分别给出了相应模态的飞行品质评价指标,利用该指标评价控制律设计结果。评价结果均满足相应模态飞行品质要求。

基于时变编队控制的有人-无人集群协同飞行策略

提出了一种基于分布式时变编队跟踪控制方法的有人-无人集群系统协同飞行策略.在该策略中,预警机、五代机等高价值有人作战单元担任领航者,多架低成本无人机担任跟踪者.低成本无人机可以由高价值有人作战单元在适当时机布撒后伴飞.策略的核心是使低成本的无人机始终处于我方高价值有人作战单元与敌方来袭导弹的视线轴上,承担被击落的风险,起到干扰、诱骗等作用,充当我方高价值有人作战单元的“忠诚僚机”.基于有限时间控制理论、观测器理论、自适应控制理论,给出了无人机在自身存在未知扰动且有人作战单元存在未知机动情况下能够实现该策略的分布式控制协议,并利用李雅普诺夫理论对协议的有效性进行了证明.最后通过数值仿真算例对理论结果进行了验证.

基于模糊干扰观测器的自适应反演滑模控制研究

摩擦等外界干扰,系统不确定性信息及参数变化对飞行仿真转台的运行造成不利影响。针对该问题,提出基于模糊干扰观测器(Fdo)的自适应反演滑模控制方案(ABSMC),在对外界干扰和不确定信息进行补偿的基础上,从稳定性出发,对不确定上界进行自适应估计,并逐步反推出控制器。通过对某型仿真转台进行仿真,得知该方案与普通滑模控制(SMC)方案相比,具有更高的跟踪精度,并极大的提高了对外界干扰,系统不确定信息和参数变化的鲁棒性。

基于甲板运动预报的自动着舰系统综合设计

由海浪引起的甲板运动造成理想着舰点的位置变化严重威胁着着舰安全,为了提高舰载机着舰精度且避免与甲板的剧烈碰撞,必须实现舰载机与甲板的同步运动。采用改进的LQR方法设计的自动着舰系统本身存在着超调和相位滞后。利用闭环系统的频域特性,采用甲板运动预报和补偿技术将预报信息补偿至自动着舰系统,能够有效地抑制超调并消除延迟,实现了舰载机对甲板运动的精确跟踪,提高了舰载机着舰的准确性和安全性。

基于控制分配方法的阵风减缓控制律设计

采用控制分配方法,进行飞机垂直阵风减缓控制律设计。垂直阵风减缓控制律设计的目标是由操纵面产生直接升力抵消阵风引起的过载变化。控制分配方法用来解决如何由多操纵面来产生所需的力和力矩的问题。在阵风减缓控制律设计中,采用控制分配方法计算出为消除过载扰动量所需的操纵面增量,从而直接实现阵风减缓控制。仿真表明,设计的阵风减缓控制律对于垂直离散突风和紊流干扰均具有很好的控制效果,并且对于建模误差具有一定的鲁棒性。

基于干扰观测器的高性能转台伺服系统内模控制方法研究

针对转台伺服控制系统,提出了一种基于干扰观测器的改进内模控制方法(DIMC)。内模控制是一种新型的先进控制方法,设计思路是将对象模型与实际对象的输出差值作为反馈,控制器逼近模型的逆,从而达到控制效果。考虑到传统的内模控制器设计方法跟踪精度不足,引入微分器构造改进的控制器,提高系统的跟踪精度。在此基础上引入干扰观测器,对摩擦进行补偿,进一步提高系统的跟踪精度。仿真研究和实验结果表明,该控制方法可以有效地提高系统的跟踪精度,并对系统参数变化和力矩扰动具有更强的鲁棒性。

“双一流”背景下制导原理理论与实验课深参与度研究性教学改革与实践

制导原理理论与实验课作为导航、制导与控制专业的核心主干课程,承担着培养创新型、研究型航空航天人才的重任。在“双一流”建设背景下,为进一步提升学生的学习主动性与创造性,培养其良好的科研工程素养,授课团队从提升学生课程参与度入手进行了课程改革与实践。首先,从课程内容、授课方式与实践环节分析了当前课程的不足。其次,采用“理论-实践交互式”的一体化研究思路对教学内容与教学方法进行了改革,具体包括更新完善课程教学内容、改进升级教学方式和建立新的运用型实践教学模式这三方面的措施。课改实践结果表明,学生们的学习自主性、研究视野与动手实践能力得到了提升,进入科研状态的速度明显加快。最后,对课改措施与实践进行了总结,并结合反馈结果对未来的课改工作进行了展望。

基于慢切换机制的直升机H_∞姿态控制

提出了慢切换H∞控制方法,实现了直升机大包线下的姿态控制。首先针对直升机的典型状态点,采用二自由度H∞方法设计局部鲁棒控制器,形成执行子控制组;然后引入基于"驻留时间"的慢切换逻辑完成不同子控制器之间的稳定切换,实现姿态控制目标。仿真结果表明,该方法能够充分发挥TDFH∞方法的优势,并有效地降低其设计保守性,系统的姿态解耦控制特性良好,当存在侧风扰动时具备了较强的性能鲁棒性。

不确定隶属函数T-S模糊控制器设计与稳定分析

针对许多非线性系统存在的结构不确定和难以用精确数学模型表达等问题,在研究基本Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型的基础上,通过增加一个隶属函数自由变量,利用线性矩阵不等式(LMI)设计了一个使得闭环系统渐进稳定的状态反馈控制器,并给出稳定条件.所得到的条件充分利用了前件变量隶属函数的结构信息和后件局部子系统之间的相互关系,降低了常规T-S模糊系统的稳定性条件的保守性和求解难度.通过仿真实例验证了该方法的可行性和有效性.

直升机旋转逆动力学建模及姿态控制研究(英文)

为克服直升机单点逆模型的不足,提出了旋转逆动力学建模新方法,实现了大包线下的姿态控制。该方法采用模块化建模思想,首先通过转动方程逆解算,将姿态角速度指令转化为期望的纵、横向挥舞角和尾桨偏航力矩指令等三个关键状态量,然后利用主旋翼挥舞动态逆解算和尾桨桨距指令逆解算,由关键状态量解算出期望的纵、横向周期变距角和尾桨桨距角,进而建立了直升机旋转逆动力学模型。在此基础上,完成了姿态控制系统设计。仿真结果表明,该模型能够在大包线范围内较准确地反映直升机的旋转动态逆特性,系统能够很好地实现姿态控制目标,在各类干扰因素存在时体现出了较强的性能鲁棒性。