Autonomous Control Reconfiguration of Aerospace Vehicle Based on Control Effectiveness Estimation

未来空天飞行器跨空天两域飞行,要求有较高的自主性以适应由故障和环境变化带来的不确定因素。针对空天飞行器的不确定性,提出了自主控制重构方案。研究了线性模型的时变控制效益的估计方法,提出并证明了效益矩阵可估计的充分条件,给出了相应的算法并证明了其收敛性和对噪声的鲁棒性;提出了基于线性规划和模糊逻辑的控制分配算法,通过冗余效应器实现了不确定条件下的自主控制重构。系统集成和仿真结果分析验证了方案和算法的有效性。     

跨大气层飞行器爬升段飞行控制律方案研究

跨大气层飞行器在爬升过程中重量、重心、高度和速度等参数变化剧烈,因而飞行器的操纵稳定特性也变化急剧,与常规飞行器相比其飞行控制律设计有它的特殊性。针对跨大气层飞行器的飞行特点,提出了四种纵向控制律初步方案,分析研究了这四种控制律设计方案的特点及存在问题,为具体的控制律方案设计提供了初步基础。     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。     

一种临近空间飞行器静/动态气动特性研究

临近空间飞行器典型气动布局给其气动特性尤其是飞行稳定性带来诸多问题,危及飞行安全。为此,针对类HTV-2飞行器布局方案,开展了高超声速飞行时的气动特性研究。通过数值计算和试验结果的对比可见,两者具有较好的一致性,同时看出飞行器具有较高的升阻比,纵横向为静态稳定,并且给出了气动特性在不同飞行速度和高度条件下的变化规律;飞行器单自由度运动具有动态稳定性特性,但是通过风洞试验进行的两自由度耦合运动动态特性试验可以看出,在强迫俯仰运动下滚转出现振荡运动。     

空天飞行器的鲁棒自适应模糊轨迹线性化控制

提出了鲁棒自适应模糊轨迹线性化控制(RAFTLC)方法并应用于空天飞行器(ASV)飞行控制系统设计.根据系统的先验知识, 设计出标称模糊系统对系统的未知干扰和不确定进行估计, 并通过鲁棒自适应控制项来克服标称模糊系统逼近误差和权值误差的影响.标称模糊系统逼近误差和权值误差的界在线调整.采用Lyapunov方法证明了闭环系统的所有信号一致最终有界.最后利用提出的控制方案设计了ASV飞行控制系统, 并在高超声速条件下进行了仿真验证.仿真结果表明了控制方案的有效性和鲁棒性.      

基于径向基神经网络的空天飞行器鲁棒自适应轨迹线性化控制

基于轨迹线性化控制方法(TLC)以及径向基神经网络(RBFNN)技术研究了一种新的鲁棒自适应轨迹线性化控制方案并应用于空天飞行器(ASV)飞行控制系统设计中.首先基于被控对象的分析模型设计系统的TLC控制器,然后利用RBFNN对系统不确定的逼近能力,设计了鲁棒自适应控制器及参数的自适应调节律,并采用Lyapunov方法严格证明了闭环系统所有误差信号一致最终有界.最后应用新控制方案设计了ASV飞行控制系统,仿真结果表明了方法的有效性.      

基于特征模型的高超声速飞行器鲁棒控制方法

针对高超声速飞行器不确定性因素多、参数变化范围大的特点,将特征建模理论与多模型自适应控制方法相结合,设计了一种基于特征模型的鲁棒自适应控制方案.将飞行器的飞行包络划分为若干个子空间,基于对象特征模型分别设计各子空间的H,鲁棒控制器,飞行过程中,通过在线辨识得到的特征模型参数对各子控制器进行平滑切换.该控制方案不但可以较...     

临近空间低动态飞行器控制研究综述

针对临近空间低动态飞行器出现的新的控制问题,分析和总结了临近空间低动态飞行器控制进展状况和发展趋势。首先,基于飞艇和浮空器等临近空间低动态飞行器的特点,归纳总结了其飞行控制问题。在此基础上,结合这类飞行器的当前发展状况,从飞行器控制角度出发,着重介绍总结了临近空间低动态飞行器在控制系统执行机构配置、数学模型、姿态控制、定点控制、速度控制、航迹优化、轨迹跟踪控制、升空和返回控制、压力控制,以及应用的多种控制策略的研究进展。最后,在已有的控制问题研究发展的基础上,提出了临近空间低动态飞行器在控制研究领域所要解决和关注的若干问题。     

微型飞行器的动态特性与飞行控制研究

为把微型飞行器设计成为真正实用的作战武器,在对其气动特性研究的基础上,提出了需及时研究其动态特性的特征和自主飞行控制的设计等问题.最后,结合已经开展的研究工作,探讨了微型飞行器飞行控制系统的组成结构、硬件构成和系统集成等设想.     

飞行器神经元控制系统的研究与设计

提出了一种基于神经元网络的飞行控制系统设计方法 ,该方法设计的神经元飞行控制器具有良好的鲁棒性 ,使飞行器在整个飞行包络内都能保持某种最优的操纵品质。给出的计算机仿真结果显示出神经元网络作为飞行控制器在处理飞行器参数大范围变化的非线性特性方面具有潜在的优良品质     

Reconfigurable Flight Control Design for Combat Flying Wing with Multiple Control Surfaces

With control using redundant multiple control surface arrangement and large-deflection drag rudders,a combat flying wing has a higher probability for control surface failures.Therefore,its flight control system must be able to reconfigure after such failures.Considering three types of typical control surface failures(lock-in-place(LIP),loss-of-effectiveness(LOE) and float),flight control reconfiguration characteristic and capability of such aircraft types are analyzed.Because of the control surface redundancy,the aircraft using the dynamic inversion flight control law already has a control allocation block.In this paper,its flight control configuration during the above failures is achieved by modifying this block.It is shown that such a reconfigurable flight control design is valid,through numerical simulations of flight attitude control task.Results indicate that,in the circumstances of control surface failures with limited degree and the degradation of the flying quality level,a combat flying wing adopting this flight control reconfiguration approach based on control allocation could guarantee its flight safety and perform some flight combat missions.     

高超声速飞行器气动伺服弹性的自适应抑制

针对弹性高超声速飞行器的气动伺服弹性问题，提出一种结合线性自抗扰和自适应陷波器的综合控制方案。针对强耦合和强不确定性问题，采用线性自抗扰控制对总扰动进行快速估计和补偿。为了在最小化对刚体控制性能影响的同时实现对频率未知且时变的弹性模态的抑制，采用能够在线估计弹性频率的自适应陷波器。根据气动伺服弹性抑制问题的特点提炼出对自适应陷波器的性能需求。针对这些需求设计了两种基于递推最大似然法的多频率直接辨识方案——参数单独自适应和同时自适应方案。为了提高辨识算法在各种随机扰动下的鲁棒性，在此基础上提出一种在线有效性监督机制，并通过大量的数字仿真对两种方案进行了性能对比。最后，在弹性高超声速飞行器模型上进行仿真，仿真结果验证了所提控制方案的有效性。     

航天器有限时间自适应姿态跟踪容错控制

非刚体航天器存在时变的惯量、执行器完全失效或衰退故障以及外界干扰的情况,提出一种有限时间自适应姿态跟踪容错控制方法。首先,基于有限时间理论和自适应方法,设计惯量不确定性自适应估计项和外界干扰参数自适应估计项进行系统补偿,克服惯量不确定性和抑制外界干扰;然后,基于容错控制和双幂次方法,设计一种自适应有限时间姿态跟踪容错控制算法,并且利用Lyapunov稳定性理论证明所提算法能够保证航天器姿态跟踪系统实际有限时间稳定;最后,对仿真结果进行验证。结果表明:所提有限时间姿态跟踪容错控制方法是有效的。     

超燃冲压发动机推力控制系统仿真研究

超燃冲压发动机是最具发展潜力的高超声速飞行器动力装置,具备性能优良的推力控制系统才能保证飞行器的安全自主飞行。为了实现在不同马赫数下的推力特性数值分析,根据飞行坡面建立由前体、进气道、隔离段、燃烧室和尾喷管组成的发动机模型,并通过发动机进、出口的气流动量变化来推算发动机推力。同时为保证推力系统的稳定,根据经典控制算法设计了燃油内环PD控制回路和推力外环PI控制回路。闭环仿真结果表明:该推力控制系统的控制效果良好,能较好地模拟真实控制回路。     

Delay Depending Decentralized Adaptive Attitude Synchronization Tracking Control of Spacecraft Formation

This paper deals with the problem of cooperative attitude tracking with time-varying communication delays as well as the delays between inter-synchronization control parts and self-tracking control parts in the spacecraft formation flying. First, we present the attitude synchronization tracking control algorithms and analyze the sufficient delay-dependent stability condition with the choice of a Lyapunov function when the angular velocity can be measured. More specifically, a class of linear filters is developed to derive an output feedback control law without having direct information of the angular velocity, which is significant for practical applications with low-cost configurations of spacecraft. Using a well-chosen Lyapunov-Krasovskii function, it is proven that the presented control law can make the spacecraft formation attitude tracking system synchronous and achieve exponential stability, in the face of model uncertainties, as well as non-uniform time-varying delays in communication links and different control parts. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control schemes.     

Fully distributed time-varying formation tracking control for multiple quadrotor vehicles via finite-time convergent extended state observer

This paper investigates a time-varying anti-disturbance formation problem for a group of quadrotor aircrafts with time-varying uncertainties and a directed interaction topology. A novel Finite-Time Convergent Extended State Observer (FTCESO) based fully-distributed formation control scheme is proposed to enhance the disturbance rejection and the formation tracking performances for networked quadrotors. By adopting the hierarchical control strategy, the multi-quadrotor system is separated into two subsystems: the outer-loop cooperative subsystem and the inner-loop attitude subsystem. In the outer-loop subsystem, with the estimation of disturbing forces and uncertain dynamics from FTCESOs, an adaptive consensus theory based cooperative controller is exploited to ensure the multiple quadrotors form and maintain a time-varying pattern relying only on the positions of the neighboring aircrafts. In the inner-loop subsystem, the desired attitude generated by the cooperative control law is stably tracked under a FTCESO-based attitude controller in a finite time. Based on a detailed algorithm to specify the cooperative control protocol, the feasibility condition to achieve the time-varying anti-disturbance formation tracking is derived and the rigorous analysis of the whole closed-loop multi-quadrotor system is given. Some numerical examples are conducted to intuitively demonstrate the effectiveness and the improvements of the proposed control framework.     

连续式风洞二喉道调节马赫数控制策略

为了降低连续式跨超声速风洞压力波动,提高马赫数稳定性,需要对二喉道调节马赫数控制方式进行研究,针对现有文献鲜少对该控制策略描述等问题,以0.6m连续式跨声速风洞为例,对二喉道控制马赫数的原理进行分析,基于运动控制器加伺服驱动器双PID(proportion-integral-derivative)控制模式实现二喉道位置精确控制,提出了二喉道和压缩机转速的组合控制流程,并采用分段变参数模糊PID加串级控制的算法实现马赫数精确控制,最后进行了试验验证。结果表明马赫数控制精度优于0.001,且每个马赫数极曲线(9个攻角阶梯)的时间可控制在4min以内,证明所提出的控制策略是有效的,可为连续式跨超声速风洞的设计调试提供参考。      

非合作航天器姿态接管无辨识预设性能控制

在对非合作航天器进行姿态接管控制时,可能面对目标航天器参数未知、构型改变引起的不确定性及目标施加的非合作控制输入等挑战。针对上述问题提出了一种基于预设性能控制理论的非合作航天器姿态接管控制方法。首先,建立了姿态跟踪运动的非奇异拉格朗日型模型;然后,利用跟踪微分器构造不包含角速度信息的广义状态量,设计无需参数辨识的非奇异预设性能控制器,并证明了系统状态变量的有界性和控制系统在预设的性能指标以内。最后,通过数值仿真验证了所提出方法的有效性及其对时变参数不确定性和非合作控制输入的鲁棒性。     

多操纵面飞翼构型飞机舵面故障在线诊断方法

舵面故障会影响飞机的操纵性,为实现飞机的控制重构需在线诊断出舵面的故障信息.针对多操纵面飞翼构型飞机,提出了一种在线诊断其舵面故障的方法.飞翼构型飞机舵面故障在线诊断需辨识的操纵导数个数较多,直接使用最小二乘法难以精确辨识得到各操纵导数.基于限定记忆最小二乘法,采用分组辨识法对飞机的操纵导数进行辨识,减少了每次辨识操纵...