高超声速飞行器BTT非线性控制器设计与仿真

高超声速飞行器的气动特性比一般的飞行器更为复杂,选用BTT(Bank-to-Turn)技术,即倾斜转弯技术可以满足其对于气动外形的要求,但随之给动力学系统带来了快时变、严重非线性及强烈耦合的特点.针对高超声速飞行器倾斜转弯非线性控制器的这一特点,采用了一种更为有效的非线性系统的控制方法,即非线性动态逆技术.首先建立了高超声速飞行器的非线性数学模型,然后根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量2部分,应用非线性动态逆理论分别对快逆回路和慢逆回路进行设计,其中慢逆回路控制器的输出作为快逆回路控制器的输入指令,最后对于所设计的系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证.仿真结果表明该控制系统可以实现倾斜转弯,并可以满足高超声速飞行器稳定飞行的要求.      

高超声速飞行器自适应切换控制及稳定性分析

针对高超声速飞行器巡航段控制问题,构造自适应切换控制并对闭环稳定性进行了分析.高超声速飞行器动力学模型具有非线性、多变量和开环不稳定的特点.首先给出动力学模型局部线性化的方法,并设计自适应切换律和非线性反馈控制.进而给出全局稳定性分析结果,证明在所设计自适应切换控制下,闭环系统指数收敛到状态原点附近一个小邻域内.     

高超声速飞行器后体/尾喷管优化设计

结合试验设计方法、替代模型技术和遗传算法构建一套改进的优化方法,并将其应用于高超声速飞行器后体/尾喷管的一体化设计.在构建优化方法时,针对替代模型采用渐近全局策略提高精度;针对遗传算法,采用实数编码、多目标定级排序和改进小生境技术.在后体/尾喷管的一体化设计应用中,结合高精度的计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)求解,以两个设计点的推力和升力为目标,以力矩为约束,得到优化问题的Pareto最优前沿面,优化结果在综合性能方面有很大提升.该优化方法可进一步推广应用于更复杂的优化设计当中.      

基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航研究

针对航天器自主导航方法不适合高超声速临近空间飞行器的问题, 研究了基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航方案. 论述了基于非开普勒轨道的自主天文导航机理, 通过对高超声速临近空间飞行器受力分析, 建立了动力学方程; 利用矢量倒数法则推导出空间运动方程; 设计了基于非开普勒轨道的状态模型和基于星光折射间接敏感地平的观测模型, 采用卡尔曼滤波进行了仿真验证. 仿真结果表明, 基于非开普勒轨道的高超声速临近空间飞行器自主天文导航可达到较高的位置和速度精度.      

类X-51A飞行器纵向机动数值虚拟飞行仿真

吸气式高超声速飞行器在机动过程中,由于构型复杂,气动特性呈现强烈的非定常特性。传统基于数据库或气动力模型的飞行仿真不能准确描述机动过程中复杂的气动特性和运动规律。针对这一问题,基于现代软件分布式、模块化的发展趋势,建立了一个高效的数值虚拟飞行仿真平台。利用该平台,对一种类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器开展了纵向机动闭环数值仿真,并与工程方法的结果进行了对比。研究发现:对于类X-51A外形的吸气式高超声速飞行器,在纵向拉起时,工程方法给出的结果可能不能完全反映非定常效应的影响。此时,应该采用更为精确的虚拟飞行方法来研究飞行器的闭环响应特性。此外,借助该仿真平台还研究了舵回路时间常数对控制系统的影响,为控制律设计提供了一定的参考。      

高超声速飞行器命中精度高准确度评估

为科学合理地评估高超声速飞行器的命中精度, 提出了一种基于误差谱的高超声速飞行器命中精度高准确度评估方法。对获得的高超声速飞行器命中精度数据进行预处理, 得到该数据的落点偏差。构建算术平均误差、均方根误差、调和平均误差、误差中位数、误差众数、几何平均误差和迭代中距误差评估指标来反映高超声速飞行器命中精度的性能。分别建立高超声速飞行器命中精度评估模型及其可信度模型。通过实例验证所提评估方法的正确性和合理性。仿真结果表明:所提方法不仅能给出高超声速飞行器命中精度的评估结果, 还能给出该结果的可信度。研究工作为高超声速飞行器命中精度的高准确度评估提供了新的科学评估方法。      

类X-20高超声速飞行器反馈线性化控制研究

通过对类X-20高超声速飞行器的气动系数与高度、马赫数、攻角、侧滑角和舵偏角的关系进行分析,对各项气动系数进行了简化和拟合,并将舵偏增量视作控制输入,在此基础上建立了类X-20飞行器仿射非线性形式的控制模型,证明了它是可以输入输出精确线性化的,从而可以设计反馈线性化控制器.最后在存在大气密度、气动力矩系数和转动惯量不确定性情形下,针对原动力学模型进行闭环仿真研究,原动力学模型考虑地球旋转,气动数据直接从类X-20飞行器的气动数据表插值得到.仿真结果表明,所设计的控制律可以实现控制目标,具有较强鲁棒性.     

考虑射程损失的高超声速飞行器突防弹道分析与设计方法

研究了高超声速飞行器突防机动造成速度损失进而影响射程的问题。高超声速飞行器在面对拦截威胁时需要靠自身机动进行躲避,而机动躲避将会使得飞行状态产生偏离,进而影响高超声速飞行器射程。针对此问题,首先分别建立弹道式和滑翔式高超声速飞行器运动学和动力学模型,然后考虑突防机动过程中造成的速度、弹道倾角等弹道参数变化,分别对弹道式和滑翔式高超声速飞行器的射程与弹道参数关系模型进行构建,得到突防机动-射程变化关系。之后, 通过数值仿真对突防机动-射程变化二者之间的关系进行验证,结果表明弹道式和滑翔式高超声速飞行器的机动均会导致射程变化,且变化规律与理论分析基本一致,验证了所提出突防机动-射程变化模型的正确性和有效性。最后,基于突防机动-射程变化模型,针对两种高超声速飞行器分别给出对射程变化影响较小的突防机动策略,为提升飞行器飞行性能提供理论和方法基础。     

高超声速飞行器抗干扰反步滑模控制

针对存在参数不确定及外部扰动下的高超声速飞行器轨迹跟踪控制问题,研究了一种基于反步法的抗干扰滑模控制设计方法.将非线性高超声速飞行器动力学模型表达为严反馈形式分步进行设计.采用滑模控制方法进行每步的控制器设计,并提出采用扩展状态观测器（ESO,Extended State Observer）方法实现对参数不确定及外部扰动产生的内外干扰进行估计,继而在控制中补偿.扩展状态观测器能保证对干扰的估计收敛到真值附近的邻域内,从而能够保证较好的补偿效果.通过0.5°附加干扰攻角和25%的气动参数偏差下的非线性高超声速飞行器动力学模型仿真结果验证了该抗干扰滑模控制方案对内外干扰的抑制效果和闭环系统良好的跟踪性能.      

再入飞行器制导与总体参数的一体化设计

研究高超声速再入飞行器制导/总体参数一体化设计问题.论述飞行器总体设计中气动特性、姿控能力、防隔热水平、伺服能力、质量、结构强度、战标等总体参数对制导的影响,指出高超声速再入飞行器外形及制导的特点决定了在概念设计、方案设计阶段就需要考虑制导需求.以某飞行试验为背景,开展制导总体方案论证,协调飞行器总体参数与制导方案,给出高超声速再入飞行器制导/总体参数一体化设计的途径,为再入飞行器的工程研制提供思路.     

基于ADAMS/View的6×6越野车 前独立悬架参数化设计与分析

采用ADAMS/View提供的参数化建模及参数化分析方法,对6×6越野汽车前独立悬架进行了参数化设计,并对悬架主要的几何参数进行了分析,得出了较好的分析仿真结果.整个过程首先根据整车设计条件确定悬架的尺寸参数和车轮的定位参数,然后利用ADAMS/View建立悬架的虚拟样机模型,最后对所建立的模型进行设计研究(design study)和试验设计DOE(Design of Experiments).通过分析得出随下摆臂的长度值增大和下摆臂的安装倾角的减小,车轮侧向滑移量有大幅减小的趋势.因此选择下摆臂的长度值及其安装倾角为设计变量,以车轮侧向滑移量为设计对象,在ADAMS/Insight中进行了参数优选,得出的仿真结果能够满足设计要求.该方法提高了悬架的设计速度与质量,可为今后设计高性能的悬架系统提供借鉴.     

一种可变形桁架避障规划方法*

摘要： 为解决VGT的避障规划问题,给出一种等效机械臂模型并分析单级VGT正向递推运动学中的冗余问题.针对等效模型,利用遗传算法设计避障规划算法得到等效模型变量,再反算VGT各级可调杆长度得到VGT的避障算法.所得结果使得VGT等效机械臂模型各级具有相同的移动关节长度,且相邻两级转动关节角度变化较小.对避障规划结果和VGT到等效模型的变换进行仿真验证对比,验证算法有效性.     

两种流体控制方案矢量喷管内流场计算及分析

在激波诱导和喉道倾斜2种流体控制方案下,对推力矢量喷管的二维内流场进行了数值模拟.用局部加密的四边形结构网格对流场进行网格划分之后,采用二阶迎风离散格式和二方程湍流模型求解强守恒形式的Navier-Stokes方程,通过对内流场的模拟获得流体控制推力矢量喷管方案的推力矢量特性.计算结果表明:对于激波诱导矢量控制方案,在小落压比大注气量且后缝注气的情况下所产生的矢量角最大;对于喉道倾斜矢量控制方案,在扩张片上以与主流成某一角度的方向注入气流产生的矢量角最大且没有带来较大的推力损失;喉道倾斜矢量控制方案因其推力损失较小且能够降低喷管的重量与造价而更具发展前景.      

尖顶襟翼长度对三角翼前缘涡破裂的影响

为了抑制三角翼前缘涡破裂的发生,研究了大攻角下(30°～50°)尖顶襟翼对70°三角翼前缘涡破裂的影响.在静态实验情况下,尖顶弯折对三角翼前缘涡破裂影响的参数有2个:尖顶襟翼弯折的角度及其长度.染色液流态显示结果表明:尖顶襟翼的向下弯折减小了靠近襟翼翼面的有效攻角,从而推迟了前缘涡破裂的发生,涡破裂位置随弯折角的变化呈非线性变化且弯折襟翼越长效果越好,α=35°时两个弯折组合的效果要比单个弯折的好.     

一种无奇异的求解Lambert变轨的普适变量法

传统的普适变量法求解Lambert转移轨道的变轨点速度时,在两位置矢量夹角为180°处出现奇异,且用牛顿迭代法求解普适变量会丢失部分重要的解.通过公式变换消除奇异项而推导出一种无奇异的速度求解公式;且根据转移轨道的圈数对普适变量的取值范围进行分段,在每个区间用人工免疫算法AIA(Artificial Immune Algorithm)搜索普适变量正确解,解出所有Lambert转移轨道并从中选择最优转移轨道.仿真算例表明:这种改进的普适变量法能有效避免传统普适变量法的奇异性,而且能求得所有的Lambert转移轨道并得到燃料消耗最优的转移轨道.     

气体二次喷射矢量喷管三维流场计算

采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和κ-ε湍流模型对气体二次喷射推力矢量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟.比较了在不同喷射参数和不同喷管落压比NPR(Nozzle Pressure Ratio)下的流场特征,分析了这些参数对矢量偏转效率和推力系数的影响.结果表明,二次流喷射位置、喷射角度和二次流质量流量对矢量角的影响相互耦合,喷管达到最大矢量角时,各参数并不能同时达到各自的最优值;矢量角越大,推力系数越小,推力损失越大;矩形喷射口的推力矢量性能优于圆形喷射口;减小喷管落压比可以提高矢量偏转角度.     

基于自适应差分进化的矿卡转向运动学仿真

以220 t矿卡自卸车转向系统为基础,建立转向梯形在空间坐标下的运动学方程,并考虑主销后倾角和内倾角的影响,在ADAMS软件中建立模型验证其正确性.重点利用MATLAB软件编制双审判自适应差分进化算法程序,针对变量梯形臂长K、底角Φ求解全局最优化转向特性,使220 t矿卡自卸车内外轮转角满足考虑轮胎侧偏特性的阿克曼转向几何关系,实现车轮在转向时作纯滚动.与ADAMS优化结果作对比分析,结果表明前者的优化效果更明显.实车轮胎对比性试验证明其转向设计更加合理,改善了矿卡自卸车较为严重的轮胎磨损现象,延长了轮胎工作寿命.     

GTO发射轨道的两级分解全局优化设计策略

文章提出了包含两级规划、轨道分解优化以及混合遗传算法的GTO发射轨道优化设计策略。针对最优控制变量和总体变量耦合所带来的收敛性差问题 ,建立了两级规划模型 ,其中上面级问题处理总体变量 ,下面级问题处理单独的轨迹控制变量。整个发射轨道优化设计问题被划分成两个轨道段优化设计子问题 ,采用串行混合遗传算法完成子问题的求解。选择一个二级GTO运载火箭 ,进行最大运载能力优化设计 ,对俯仰角选择、发射轨道参数选择等问题进行了分析 ,得出了一些有益的结论。算例分析结果表明所提出的GTO发射轨道优化设计策略的优良性能 ,在运载火箭总体设计中有良好的应用价值。     

塞式喷管性能损失分析

影响塞式喷管性能的因素是多方面的,为了明确各种损失对其的影响程度,根据塞式喷管的工作特点,通过建立的塞锥壁面压力分布的简化模型,初步分析了这些因素,比如摩擦损失、化学非平衡损失、截短损失和底部损失等.结果表明,由于塞锥长度的截短所引起的截短损失和底部损失是影响塞式喷管性能的主要因素.为了减小由此所带来的性能损失,应通过实验和数值模拟的方法着重研究气流在塞锥上和底部的流动特征,并且在设计的过程中应该考虑这些因素,以降低其对性能的影响.     

再入飞行器标称攻角优化设计

再入飞行器的标称攻角在弹道规划以及飞行器覆盖能力分析中起到重要作用,由于再入飞行中气动加热严重,过载和动压约束严格,给标称攻角的设计带来很大困难.针对弹道射面内最大纵程和最小总热载荷问题,在考虑热流、动压和过载约束下分别进行标称飞行攻角的优化设计.首先将过程约束转化为对控制量攻角的约束,将需要优化的标称攻角通过分段线性函数参数化,把最优控制问题转化为4个参数的寻优问题,然后利用遗传算法获得参数的初始猜想,并设计序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)算法求解.仿真结果显示该方法能够快速获取再入标称飞行攻角,为再入轨迹优化和制导总体设计提供参考.