冗余陀螺测量单元的实验室标定方法设计

提出了采用Kalman滤波对冗余陀螺的常值误差、标度因数误差和安装误差进行估计的实验室标定方法。采用小角度旋转向量法对安装误差进行建模,并设计了Kalman滤波器。在对滤波器的量测方程进行设计时,采用零空间扩增法来改善滤波器中各陀螺误差状态量的可观测性。通过仿真试验,表明该标定方法对所有误差状态量估计的平均相对误差均低于1%,从而证明了该方法的有效性。

关于“航天智能控制系统”的认识

航天控制系统正在走向智能化。本文以指标提升、持续学习为核心,提出了航天智能控制系统的概念,分析了智能技术赋能对航天装备技术指标显著提升和从无到有的作用,进而梳理了航天智能控制系统的能力特征,构建了航天智能控制技术体系,并讨论了航天智能控制的系统架构。最后,从个体智能、群体与人机混合智能的视角提出了航天智能控制系统发展构想。

运载火箭智能控制的能力特征与关键技术

运载火箭智能控制是智慧火箭研制的核心技术之一。结合智能技术在航天控制上的应用研究与工程实践,对运载火箭智能控制的能力特征进行了分析;介绍了运载火箭的智能测试与发射、典型动力故障诊断与重构、环境与模型自适应控制,以及“软件”定义运载火箭等关键技术;对我国运载火箭智能控制系统的未来发展进行了思考。通过对航天智能控制技术持续不断地研究与实践,为我国智慧火箭的研制提供强有力的支撑。

基于智能PID和扩张状态观测器的姿态控制方法

针对在实际工程中人工设计飞行器姿态控制参数造成工作量大的问题,提出一种基于模型参考自适应控制的神经网络姿态控制方法。首先在模型参考自适应控制的基本框架下,利用BP神经网络的自学习特性,实现PID控制参数的自适应整定。随后设计了两阶线性扩张状态观测器以对控制量进行补偿,并对观测器进行了误差分析。仿真结果表明通过神经网络训练得到的控制参数变化规律和工程实际较为相似,姿态角指令跟踪误差在允许范围内,幅值裕度和相角裕度均符合要求。通过分别在常值干扰和正弦变化干扰下的两阶线性扩张状态观测器和三阶线性扩张状态观测器的仿真对比,发现两阶的观测器更能够降低外界扰动对系统的影响。

智能自主系统及其航天控制应用

智能自主技术属于颠覆性技术,总结了智能自主系统的特点,梳理了智能控制系统与经典控制系统的关联,分析了航天智能自主系统的特点,搭建了航天智能自主系统架构,并对未来航天智能技术的发展做出了展望。

高速飞行器集群通信拓扑自适应控制方法

针对基于传统通信机制的高速飞行器集群控制策略鲁棒性低、所需通信量大的问题,提出一种基于深度强化学习框架的可自主调节通信数量的集群控制方法。其中,使用深度神经网络构建控制策略与通信策略耦合的集群控制策略,其输出包含控制飞行器运动的过载指令以及与邻近飞行器的通信数量。通过与任务环境的不断交互,训练出的集群控制策略能根据环境信息自主调整通信拓扑结构,保证集群控制的鲁棒性和较低的通信量。仿真结果表明,相比于集中式,分层式和分布式通信机制,所提的自适应通信机制可在较低的集群通信量下安全快速地控制飞行器集群到达目标点并且较好地保持编队队形。

强化学习控制方法及在类火箭飞行器上的应用

针对类火箭飞行器进行了基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的姿态控制研究,完成了算法设计和智能体训练,并进行了仿真与飞行试验。基于飞行器六自由度模型搭建飞行模拟器,针对悬停模式,以多拍姿态角跟踪误差以及姿态角速度作为智能体可观测的状态,控制指令作为智能体动作,设计了含有跟踪误差、控制指令变化量以及一次性奖励的回报函数,在模拟器中训练智能体并完成了从仿真环境到真实系统的迁移。研究中未按传统设计流程对飞行器模型进行通道分解等简化,轻量化神经网络形式的智能体仅通过与模拟器交互的形式学习姿态控制策略,智能体在仿真和飞行试验中都展现出了良好性能。

一种运载火箭弹性自主辨识与自适应控制方法

针对新一代运载火箭箭体空间模态复杂、刚晃弹交联耦合严重、空间模态数据不确定大偏差导致控制参数适应性不足和弹性稳定裕度小的问题,提出一种运载火箭弹性频率在线辨识和自适应控制方法。该方法基于线性调频Z变换(CZT)完成主要弹性频率信号的辨识,并在线提取控制指令中的弹性能量,据此实现基于自适应增广控制(AAC)的控制参数在线调节,提高控制系统在不确定高阶弹性振动下的适应范围和稳定裕度,并详细分析了各项调节参数对系统稳定性的影响。仿真结果表明,提出的“CZT+AAC”方法能够较好地完成弹性稳定控制任务,显著增强运载火箭任务适应性和飞行可靠性。

一种面向运载火箭电气系统的模块化分级供配电体制

针对运载火箭电气系统供电电缆规模偏大、拓扑复杂、易引发跨级供电潜通路等问题,提出了一种电气系统模块化分级供配电方案。将运载火箭各级分别规划为一个独立的供配电单元,供配电单元内采用通用化设计,实现对内部负载的一体化供电;供配电单元间、电气系统箭地间、供电母线间电气隔离,以避免供配电单元间的电气耦合,彻底消除级间潜通路,降低设计难度,最终使得运载火箭电气系统供配电体制具备系统层级模块化特征和供配电单元即插即用能力,为未来电气系统供配电架构的标准化设计和运载火箭分级测试提供技术基础。

含扩张状态观测器的高超声速飞行器动态面姿态控制

针对高超声速飞行器复杂非线性、高不确定性和强通道耦合等特点,提出了一种飞行器姿态控制的非线性设计方法。根据高超声速飞行器无动力飞行的姿态运动方程组,给出一个可面向姿态控制的非线性设计模型。针对一类非线性系统,提出了一种基于扩张状态观测器(ESO)的动态逆设计方法,并通过动态面控制理论,将其应用于高超声速飞行器的三通道姿态控制中。仿真结果表明,相比基于传统动态逆的动态面控制方案,本文所提出的控制方案可以保证飞行器快速、精确地跟踪角位置指令,并且具备针对系统不确定性的强鲁棒性能。

LDPC编码辅助的判决反馈信道估计与均衡方法

信道频率选择性衰落较强的环境下,传统正交频分复用非盲信道估计与均衡方法的系统误码性能较差,且需要在信号中增加导频符号的插入,降低系统吞吐量。针对上述问题,提出一种低密度奇偶校验(Low-Density Parity-Check,LDPC)编码辅助的判决反馈信道估计与均衡方法。将LDPC编码增益引入判决反馈回路中,以提升收敛性,在插入极少导频符号的条件下达到渐进非盲信道估计与均衡方法的性能。另外提出一种基于条件最大似然原则的信道估计改进算法,以恒虚警原则检测有效抽头信号以提高信道估计精度,并且能够与判决反馈信道估计与均衡方法相结合,进一步提升算法性能。仿真结果表明,在仿真所选用的信道环境下,LDPC编码辅助的判决反馈信道估计与均衡方法相比传统判决反馈方法具有11~13 dB的误码性能提升,具有优秀的系统误码性能和鲁棒性。

“会学习”运载火箭的制导控制技术

"会学习"运载火箭具备"边飞边学"和"终身学习"的特征。对于"会学习"运载火箭制导控制技术具备的5个能力需求,即飞行状态在线辨识与感知、制导控制在线重构、经验知识自学习、"终身学习"和箭上强计算能力等进行了分析,研究了支撑"边飞边学"的在线辨识与控制重构、轨迹在线规划、目标在线变更等技术和支撑"越飞越聪明"的数据挖掘、自我学习、持续优化和决策评估等技术。最后,对"会学习"运载火箭的智能控制技术进行思考与展望。

含攻击角度约束的三维制导控制一体化鲁棒设计方法

针对具有攻击角度约束的STT飞行器对象,提出了一种三维制导控制一体化鲁棒设计方法.首先,基于某些可行性简化原则,推导出面向三维制导控制一体化设计的非线性数学模型.然后,针对一类多变量非线性系统,通过引入控制补偿项,提出了一种鲁棒动态逆设计方法.结合鲁棒动态逆和动态面控制方法,完成了制导控制一体化鲁棒算法的设计.仿真结果表明,所提出的三维制导控制一体化算法可保证飞行器的稳定飞行和精确制导,并且满足攻击角度的约束要求.此外,该方案具备针对参数不确定性和等效干扰的强鲁棒性能.

声光调Q CO_2激光器波长调谐理论分析与实验研究

采用旋转光栅法实现了声光调Q CO_2激光器可调谐脉冲激光输出。理论分析了CO_2激光波长调谐特性,发现调节各支谱线腔内损耗是实现激光波长调谐的有效方法。进而理论计算了特定设计波长闪耀光栅的衍射效率与激光波长间的关系,结果显示光栅调谐的激光谱线自准直角与光栅闪耀角一致时具有最高的衍射效率。采用闪耀角分别为31.97°(闪耀波长10.59μm)和28.71°(闪耀波长9.60μm)的光栅实验研究了声光调Q CO_2激光器波长调谐特性,分别获得了65条和75条激光谱线。实验结果显示:光栅设计闪耀波长处于弱激光增益分支时可获得更多条激光谱线,该实验与理论计算结果相符。在脉冲重复频率为1 k Hz时,获得10.59μm激光脉冲宽度为160 ns,平均功率4.2 W,脉冲峰值功率26.25 k W,且稳定性良好。

一种重力梯度/SINS/星光组合导航方法

为提高飞行器导航系统的精度和自主性,提出了一种重力梯度/捷联惯导(SINS)/星光组合导航方法。在该组合导航系统中,利用重力梯度信息修正SINS的位置误差,利用星光信息修正SINS的姿态误差,提高飞行器的导航精度和自主性。为了弥补传统容积卡尔曼滤波(CKF)算法滤波精度不高的缺点,采用随机加权容积卡尔曼滤波(RWCKF)算法,设计重力梯度/SINS/星光组合导航系统。仿真结果表明,SINS/星光组合导航系统、重力梯度/SINS组合导航系统、合成孔径雷达(SAR)/SINS/星光组合导航系统和提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的定位误差分别为78.1003 m、54.3399 m、39.2776 m和19.8495 m,证明了提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的精度不仅远高于两个子系统,也高于SAR/SINS/星光组合导航系统。

严格反馈非线性系统的自适应神经网络输出反馈控制

基于非线性反馈函数,文章设计神经网络状态观测器,解决一类非线性系统的输出反馈控制问题.非线性反馈神经网络观测器在系统存在不确定性函数的情况下实时估计系统状态.利用所获得的状态信号,设计了自适应神经网络动态面控制器,同时保证了闭环系统的稳定性和所有信号的有界性.通过调节设计参数的取值能够达到期望的闭环跟踪性能.数值仿真表明,所设计的状态观测器不需要对原系统做状态变换,能够克服输出反馈滑模控制器带来的抖震问题.

运载火箭自适应减载控制技术

为减小新型中型运载火箭飞经大风区的气动过载,保证箭体结构安全,采用主动减载控制设计,分析了基于扩张状态观测器的自适应减载控制方法,基于过载传感器的减载控制方法,以及将两种技术结合的使用方法。仿真分析结果表明,针对新型中型运载火箭,3种自适应减载控制方法对减小气动过载均具有一定的效果。基于加速度表的过载控制在标称状态下具有较好的减载效果。

载人运载火箭惯性器件冗余管理中的精度控制技术

运载火箭控制系统通过惯性器件冗余信息进行故障检测以提高系统可靠性,还可对惯组冗余信息采用信息融合技术以提高火箭入轨精度。以中国现役载人运载火箭控制系统双七表捷联惯组冗余设计为例,研究惯性器件冗余管理中的精度控制技术,提出了基于惯性冗余信息故障诊断和信息融合的精度控制技术,并以其他火箭实际飞行故障案例进行仿真分析。仿真结果表明,提出的惯性器件冗余管理中的精度控制技术能有效判别故障信息,提高火箭入轨精度。

运载火箭非致命故障下弹道规划制导和自适应控制重构技术

为提高运载火箭在飞行中非致命故障和大偏差条件下的自适应能力,对运载火箭非致命故障下弹道规划制导和自适应重构控制国内外技术现状进行了分析,提出了火箭自主飞行重构方案,重点研究了轨迹规划方法制导化的弹道规划制导、控制参数自适应切换策略和控制指令重分配方法,开展了自主飞行重构仿真分析,完成了工程应用研究。仿真结果表明:自主飞行重构方法在运载火箭上可行,能够提升火箭应对不确定性和非致命故障的适应性。

固定翼鸭舵式双旋弹的飞行控制系统仿真研究

在固定翼鸭舵式双旋制导迫击炮弹飞行控制中,为提高落点精度,通过调节鸭舵的控制力矢量方向实现横法向过载控制,需要建立鸭舵的滚转姿态与横法向过载的对应模型实现炮弹的飞行准确控制。针对上述问题,提出了预测落点与比例导引两种制导算法,做为双旋弹的制导飞行控制。通过搭建控制系统的实物仿真模型,模拟双旋弹的双旋运动过程,对预测落点与比例导引制导算法进行了对比分析,通过仿真验证了两种制导算法都可以实现双旋的弹道修正.预测落点算法可以用于全弹道修正精度,但是修正过程中弹体振动较大,比例导引算法只能进行下降段弹道修正,但修正过程较为平滑,控制稳定性较好。因此为实现双旋弹的弹道修正,需要上升段采用预测落点算法,下降段采用比例导引制导算法。