航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。     

用于月球软着陆最优轨迹跟踪制导过程的模糊神经网络控制方法

软着陆过程的制导控制已经成为月球探测中一个具有挑战性的问题。神经网络与模糊逻辑都是处理不确定性(受控对象缺乏精确的数学描述或具有非线性的复杂性)问题的有效手段。本文根据终端着陆条件和性能指标,以由Pontryagin’s极大值原理得出从近月点到月球表面的最优着陆轨迹为基础,给出一种基于模糊神经网络的非线性最优控制策略,使被控系统能够通过模糊神经网络的非线性映射能力实现某种最优的闭环制导控制。最后通过数学仿真验证了该控制策略的可行性与有效性。     

基于改进伪谱反馈控制的远程变轨闭环制导

利用最优反馈控制和轨迹快速重构技术,设计一种有限推力空间远程变轨自适应闭环制导方法。首先给出了最优反馈控制的求解原理和必要条件。将空间变轨动力学模型特点和伪谱法相结合,设计基于状态量缩减的计算效率改进策略以提高轨迹优化的实时性。基于改进伪谱法进行逐次轨迹快速重构,利用开环最优解形成闭环反馈,从而保证制导指令的实时更新,并通过引入控制逻辑改进制导算法。远程交会仿真表明,该闭环制导方法在保证任务指标具有一定最优性的同时,可以有效抑制多种参数不确定性和外界干扰的影响,具有较高的制导精度、自适应性和鲁棒性。     

大气层内固体火箭多约束鲁棒三维能量管理制导

针对固体运载火箭大范围精确调节终端约束的要求，提出一种新型的大气层内鲁棒三维能量管理制导方法，通过在线规划侧向速度能力曲线消耗剩余发动机能量。将终端约束表示为关于攻角和速度能力曲线参数的方程组，将闭环制导问题转化为方程组的求解。针对飞行过程中的动压、过载，以及控制变化率等过程约束，构造了攻角和速度能力曲线的可行边界。针对气动系数和发动机参数的不确定性，采用容积卡尔曼滤波器对不确定性进行辨识。仿真结果表明，与模型预测静态规划算法和改进粒子群算法相比，本算法的终端速度调节范围、鲁棒性以及计算效率大幅度提高。     

火箭上升段滚动时域制导控制一体化设计

针对传统火箭上升段制导与姿态控制系统分离设计无法最大程度优化控制精度、控制量需求等系统整体控制性能的问题，提出一种基于凸优化的滚动时域制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立反映质心运动和绕质心运动耦合关系的IGC模型并对其进行反馈线性化获得面向控制的线性模型。然后考虑控制约束，将上升段IGC问题建模为最优控制问题，基于凸优化理论设计滚动时域控制器。该方法基于滚动时域控制(RHC)策略中反馈校正和滚动优化的思想，可以及时弥补模型误差和外部干扰等造成的不确定性；同时利用凸优化算法计算复杂度低、求解简单的优势，有效解决了含控制约束的复杂优化问题的求解。基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性。数值仿真校验了该滚动时域控制方法的有效性和鲁棒性；并且仿真结果表明，火箭上升段IGC设计比传统分离设计制导精度更高、控制量需求更小且姿态变化更加平缓。     

参数自适应凸优化下的月面着陆最优轨迹规划

针对月面高精度下降着陆问题,提出了一种基于最优观测器的参数自适应凸优化月面着轨迹规划算法。首先,针对下降着陆主减速段需要尽可能减少燃料消耗的问题,考虑约束及动力学模型的非凸性,采用无损凸化技术将月面下降着陆问题转化为二阶锥规划问题;其次,为减少下降着陆过程中质量、比冲等参数不确定性影响,设计了基于Riccati方程的最优观测器;再根据标称参数凸优化所产生的最优轨迹进行飞行,利用该过程中加速度计实时测量信息,结合推力器输出信息,实现对着陆器参数的在线实时估计;在参数估计实现收敛后,通过在线求解二阶锥规划问题实现最优轨迹的在线规划。仿真结果表明,该观测器能够实现在线参数实时估计;该算法相较其他定点着陆算法,仅需要发动机具有离散的推力域,且具有精度更高的优势。     

基于伪谱反馈控制的亚轨道返回在线轨道重构方法

亚轨道飞行器任务目标的多样化对制导控制系统的智能性、鲁棒性提出了更高的要求。本文基于伪谱最优反馈控制理论并根据飞行器当前飞行状态和终端约束,使用Legendre伪谱法在线进行轨道重构,生成满足法向过载、动压和热流等轨道约束的最优返回轨迹,并实时反馈更新迎角和倾斜角制导指令。在线轨道重构使用引入迎角和倾斜角的变化率作为虚拟控制的动力学方程以保证制导指令的光滑性,并采取一系列实时性保证策略。阵风干扰下的亚轨道返回飞行仿真表明该轨道重构算法鲁棒性很强,可以满足闭环反馈更新时间要求,并且迎角和倾斜角不会出现增加控制难度的剧烈抖动现象。     

一种带航迹角约束的临近空间目标拦截中制导算法

针对采用双脉冲发动机的防空导弹拦截临近空间高速目标的多约束中制导问题,设计了一种基于逆轨拦截且满足过载收敛的预测-校正制导方法。该算法在基于由最优控制理论推导的满足终端位置、速度约束的ZEM-ZEV算法基础上,以具有航迹角约束的零控拦截流形作为交班条件,采用数值预测方法对剩余飞行时间进行高精度求解,通过在线动态生成初-中制导交班的速度方向和II脉冲发动机的开机时刻来降低中制导段需用过载。蒙特卡洛打靶仿真结果表明本文所提出的中制导算法能够满足带航迹角约束的零控拦截条件,对模型的参数偏差和不确定性具有强鲁棒性,具备重要的理论意义和工程应用价值。     

考虑推力及姿态误差的空间拦截最优初制导方法

能量省、精度高的初制导优化算法是空间拦截制导的基础。考虑变轨发动机有限推力的条件时,空间拦截初制导的任务是实时计算推力作用时拦截器姿态角。采用自适应制导原理和相对运动动力学方法,推导了有限推力条件下空间拦截最优初制导方法,在此基础上,利用降阶迭代方法解算了推力误差和姿态误差条件下的初制导问题,提高了初制导精度。仿真结果表明,在10%的推力误差和2度的姿态误差条件下,该优化制导方法具有较高精度。研究结论对发展空间拦截制导技术有参考价值。     

高超声速飞行器上升段最优制导间接法研究

高超声速飞行器的机身－推进一体化设计使得气动和推进之间存在强非线性耦合,本文针对高超声速飞行器的特点,提出了求解最优上升轨迹的一种可行方案。在零侧滑角和力矩瞬间平衡假设下对上升段飞行问题进行最优建模,将质量引入为状态量,以最省燃料为指标,以推力方向为最优控制量,根据极大值原理推导一阶最优条件。为数值求解两点边值问题,以解析解作为初始猜想,应用经典的有限差分方法和改进的牛顿法,在满足攻角过程约束下,通过同伦算法迭代求解最优轨迹。仿真在给定的初始约束和终端约束下进行,结果表明该制导算法能够实现对高超声速飞行器上升轨迹的优化,以参考面积为同伦参数的迭代方法,能够保证算法的收敛性和快速性。
     

飞行器切换多胞系统抗干扰控制

针对存在参数不确定和外部扰动的飞行器切换多胞系统跟踪控制问题,提出了一种基于改进微分器的抗干扰控制方法。该方法将参数不确定和外部扰动带来的影响均视为干扰,提出一种改进微分器实现对干扰的精确光滑估计并设计控制器进行补偿,抑制干扰对系统的影响。与H∞等传统鲁棒方法相比,本文所提方法避免了对不确定满足凸包形式的假设,且在名义情况和不确定情况下均具有良好的性能。结合微分不等式理论和平均驻留时间方法证明了闭环系统的稳定性。为了验证本文所提方法的良好性能,将其应用到一类高超声速飞行器的轨迹跟踪控制问题中,仿真结果表明该方法能够有效抑制干扰,实现对参考信号的精确跟踪。     

含模型不确定性和状态约束的航天器姿态鲁棒控制

针对严格反馈三轴稳定航天器姿态控制问题,在考虑航天器系统存在模型不确定性、未知外部扰动、系统存在时延情况下,提出了一种鲁棒控制方法。首先建立航天器误差运动学和动力学模型,使用神经网络对系统不确定性和未知扰动进行逼近、引入障碍李雅普诺夫函数对系统状态约束进行处理;然后利用反步法构造一种鲁棒自适应姿态控制器,通过李雅普诺夫方法证明闭环系统是最终一致有界的;最后,结合工程实际经验对系统已知时延进行前馈补偿。半物理仿真结果表明了所设计控制器的有效性和鲁棒性。     

多约束下考虑控制饱和的自适应末制导方法

对地攻击飞行器在末制导过程中需满足导引头视场、攻角、落角等多种约束。针对这一问题提出一种多约束下的制导方法。将多约束下的制导问题转化为具有控制饱和的线性系统的镇定问题。针对该问题,利用基于参量Lyapunov方程的低增益反馈设计方法,推导带低增益参数的纵向制导律。借助Lambert W函数,研究闭环系统状态收敛特性与低增益参数的关系,给出低增益参数的自适应整定方法。通过该方法在线调整参数,使各约束条件得到满足。通过数值仿真对提出的制导方法进行校验。仿真结果表明,提出的制导方法满足约束条件且获得较高的制导精度。     

基于间接Radau伪谱法的滑翔段轨迹跟踪制导律

针对高超声速飞行器滑翔段制导问题,提出一种利用间接Radau伪谱法求解最优反馈控制律的全状态标称轨迹跟踪制导律。将标称轨迹跟踪问题转化为线性时变系统状态调节器问题,基于Pontryagin极大值原理进一步将状态调节器问题转化为线性两点边值问题;利用间接Radau伪谱法求解所得的线性两点边值问题,获得最优反馈控制律,并在此基础上设计了易于在线执行的闭环轨迹跟踪制导律。数值仿真结果表明,该制导律对飞行器初始状态量的较大范围偏差和飞行环境参数的有限扰动不敏感,具有良好的鲁棒性,并且能够满足实时性的需求。     

线偏差控制的螺旋机动突防与导引一体化设计

导弹机动突防弹道设计与末制导修正能力密切相关,在可用过载与终端角度约束下,提出一种基于线偏差控制的机动突防与导引一体化设计方法。首先,建立了机动突防与导引一体化设计模型;其次,设计了可用过载与终端角度约束的虚拟导引弹道制导律;再次,提出了一种运动过载约束的螺旋机动线偏差指令信号,并设计了相对机动弹道制导律。基于指令滤波和扩张状态观测器分别解决输入受限和干扰估计问题,并基于Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统稳定性。不同过载约束下的突防仿真结果表明,所设计的一体化方法能兼顾机动突防与精确打击需求,典型场景下对PAC 3拦截弹的单发突防成功率达到96.2%。     

受细胞膜放电模型启发的航天器姿态鲁棒控制

研究了具有模型参数不确定和受空间环境干扰影响的挠性航天器姿态大角度快速机动快速稳定控制问题,设计了一种受细胞膜放电模型启发的鲁棒姿态控制器。综合考虑挠性航天器的强非线性和强耦合特性,设计了对模型参数和环境干扰具有鲁棒性的姿态机动控制器。为了减小机动中姿态突变激发的挠性附件振动,基于细胞膜放电的动力学模型设计了一种改进的鲁棒控制器。当参数不确定范围和干扰有界时,所提鲁棒控制器可使闭环系统的解最终一致有界。最后,分析了控制器参数对姿态控制性能及所需能量的影响。数值仿真验证了所提鲁棒控制器用于姿态机动控制可以得到良好的效果。     

基于LMI的H-/H∞故障检测观测器设计

针对系统模型的不确定性、未知输入扰动,为提高对干扰鲁棒性、待检故障敏感性及降低设计的保守性,提出了一种H-/H∞故障检测观测器设计方法,通过无损procedure将非凸约束问题转化为线性矩阵不等式(LMI)约束,采用Schur补引理将H-/H∞故障检测观测器设计转化为凸优化问题的LMI表述;设计了自适应门限以减小故障检测过程中的误报、漏报率。故障检测观测器的设计是借助凸优化问题的数值计算,使设计过程便于实现。提出的算法使未知扰动的鲁棒性及待检故障的敏感性之间具有最优平衡。仿真验证表明,所提算法使残差具有快速的收敛性、较短的故障检测时间。     

Optimal guidance for reentry vehicles based on indirect Legendre pseudospectral method

Development of a feasible guidance scheme for reentry vehicles is a challenge because of its significant nonlinearity and multi-constraints. A method for the implementation of three-degree-of-freedom guidance for constrained reentry vehicle is presented in the paper. First, the constrained trajectory is generated by Legendre pseudospectral method (LPM) and then the feasibily of the trajectory is validated. Based on the obtained reference trajectory, the guidance problem is converted into a trajectory state regulation problem which is a linear time varying system. A robust state feedback guidance law is generated in real time using indirect Legendre pseudospectral feedback method. Finally, simulation results illustrate that the overall guidance scheme can lead to a very accurately controlled flight with all the constraints satisfied even in the presence of initial state uncertainty.