基于扩张状态观测器的再入弹头控制系统设计

为了提高非自旋再入弹头的变质心控制系统的鲁棒性,采用滑模控制方法设计了变质心控制系统中的控制器。为了使控制系统设计简单,将弹头俯仰通道和偏航通道之间的耦合作用以及外界干扰综合为汇总不确定量,并采用扩张状态观测器进行估计和补偿。扩张状态观测器引入到滑模控制器中,从而发展了一种基于扩张状态观测器的滑模控制器。对弹头的变质心控制系统进行了仿真分析,仿真结果表明,所设计的控制器能够有效地补偿汇总不确定量的影响,使控制系统输出快速而准确地跟踪上指令信号。     

变质心自旋弹头的姿态运动建模与仿真分析

为了明确直观地表现自旋弹头姿态运动与控制量之间的关系,采用牛顿力学方法建立了自旋弹头的姿态运动模型。选取质量块的运动方式为正弦运动,推导了质量块的运动加速度。为了分析质量块运动对自旋弹头姿态运动的影响,构建了仿真模型,选取质量块的三种不同运动频率进行了对比仿真。仿真结果表明,质量块的运动频率越大,即其运动加速度越大,引起的自旋弹头俯仰角和偏航角的变化范围越大,自旋弹头的机动能力越大。     

基于内模原理的变质心弹头控制

研究了变质心弹头对配平攻角的能达性条件。针对气动力矩小于滑块惯性力矩的控制失稳问题,利用内模原理,通过增加滑块动力学观测器,将滑块状态引入并结合逆解耦机制,达到去惯性力矩化的局部姿态角速度反馈条件,使用自适应PD控制实现弱气动环境下的变质心稳定控制。仿真结果验证了该方法的有效性。     

变质心再入弹头螺旋机动突防弹道设计

为提高高超声速变质心再入弹头的突防能力,设计了一种基于主动螺旋机动的突防弹道。在建立变质心弹头动力学模型和弹目运动学模型的基础上,引入新的控制变量,通过控制质量块的偏移位置,将速度矢量和弹目连线的夹角控制在固定值并且使速度矢量绕弹目连线以一定转速旋转来实现螺旋机动。在实现螺旋机动的基础上,推导了弹体处于螺旋机动状态下的螺旋机动半径和稳态脱靶量均方根的解析解。六自由度弹道仿真表明,所设计的突防方案使再入弹头能够进行有效的螺旋机动,通过合理控制机动幅度大小,可以在实现螺旋机动突防的同时保证较高的命中精度。     

基于终端约束的一种速度大小控制方法

为了满足再入机动弹头对落速大小的要求,同时避免复杂的理想速度曲线的设计,提出了一种速度大小控制方案,即在弹头制导和控制系统能力范围内将减速运动规律分为两种不同的形式,并分别推导了系数的具体表达式进而得到了相应的减速指令,分析了采用空气舵对机动弹头的质心和姿态进行控制时的导引与减速指令所需总攻角的计算方法.仿真结果表明,采用该方案对机动目标进行打击时,不但落点精度能满足要求,而且速度大小控制精度也较高.     

变质心再入飞行器过载控制系统的反演设计

针对某型助推滑翔飞行器的变质心复合控制模式,在现有俯仰-偏航通道非线性数学模型的基础上,建立了变质心飞行器的过载控制模型.利用反演控制技术,设计了变质心飞行器过载控制系统的控制器,进而通过控制过载达到控制姿态的目的,该设计方法能够简化飞行器结构,具有工程实践意义.最后通过仿真验证了该方法的有效性.     

某型旋转制导炸弹自旋频率设计

提出了将旋转导弹单通道控制原理应用于制导炸弹控制系统设计的构想,并对旋转制导炸弹自旋频率设计进行了初步的探索。主要结合制导炸弹的运动特性,通过分析影响自旋频率设计的主要因素,给出了自旋频率的设计原则:避免产生滚转共振,在飞行过程中保持动态稳定和考虑继电式舵机的换向频率。在此基础上,以某旋转制导炸弹为例,计算了其动力系数、固有频率,最后得出了满足设计要求的自旋频率上限和下限。该设计方法也可应用于再入旋转机动弹头的自旋频率设计。     

偏转弹头导弹动力学建模与仿真研究(英文)

针对采用旋转单通道控制的偏转弹头导弹,研究了其动力学特性。根据弹体的自旋特性,综合考虑弹头与弹体之间的相互作用,利用无根多刚体系统动力学方法在准弹体坐标系中建立了完整的偏转弹头导弹刚体动力学模型,并对其进行了线性化;在此基础上,对偏转弹头导弹通道间的耦合特性、弹头偏转对弹体运动的影响以及弹体动态特性进行了仿真分析。理论分析与仿真结果表明,偏转弹头导弹各通道之间是相互交连耦合的,弹头偏转将导致弹体向相反的方向运动,所建立的偏转弹头导弹动力学模型是正确合理的。     

弹道导弹的推力矢量控制系统设计

针对弹道导弹推力矢量控制系统的快速性和鲁棒性要求,采用变结构控制方法设计了三通道的推力矢量控制系统。建立了弹道导弹三通道姿态运动的动力学模型,将通道间的耦合项及外界干扰作为不确定项,采用了变结构控制方法进行补偿,并采用了自适应算法来更新变结构控制参数,对不确定项的上界进行估计,从而提高了控制系统的鲁棒性。仿真结果表明,所设计的推力矢量控制系统具有很好的控制效果。     

基于开环补偿的飞机偏航角控制系统设计及仿真

飞机侧向姿态运动的有关侧向力、力矩具有较强耦合性,且基于副翼、方向舵对侧向运动实施控制,侧向运动这些特点必然导致侧向控制系统设计的复杂性。为设计飞机偏航角侧向姿态控制系统,首先,基于飞机侧向运动的动力学方程组,建立了飞机侧向姿态控制系统全面运动结构图;然后,在分析全面运动结构图基础上,基于开环补偿原理,设计了一种飞机偏航角侧向姿态控制系统,即通过引入交叉传动比,将滚转通道的γ信号引入偏航通道,通过调节来实现基本协调转弯的控制结构方案;最后,在Matlab平台下,对所设计的飞机偏航角侧向姿态控制系统进行了大量仿真研究。仿真结果显示,通过调节可减弱飞机滚转运动和偏航运动的耦合影响,基于开环补偿的飞机偏航角侧向姿态控制系统是合理可行的。     

翼伞系统动力学建模与仿真研究

以精确空投系统研究为背景,综合运用运动力学和空气动力学知识,建立了翼伞系统6自由度非线性动力学模型,该模型包括3自由度沿系统质心的平动和3自由度绕系统质心的转动.根据此模型分析了翼伞系统的整体运动特性(包括运动轨迹和姿态等),并进行了常值风场对翼伞系统飞行特性的影响研究,得出了翼伞系统在滑翔、转弯和雀降模态下的主要飞行参数,从而为翼伞系统飞行控制系统的设计提供了重要的理论依据.     

移动质心再入飞行器建模及自抗扰滚动控制

基于移动质心滚动控制方案,研究了其动力学系统建模和非线性耦合系统控制的问题。不同于移动质心控制系统建模中常用的牛顿力学建模和常规拉格朗日建模法,采用准坐标形式的拉格朗日法建立了完整的系统动力学方程,避免了牛顿力学中复杂的相互作用力分析和常规拉格朗日建模法物理意义不明确的缺点。鉴于移动质心滚动控制系统的非线性、耦合性和时变性,提出把系统的非线性耦合项和外部干扰统归为未知扰动,并采用自抗扰控制(ADRC)技术进行估计和补偿,相对于常用的比例微分(PD)控制,自抗扰控制器能更好地适应系统参数的变化,具有很强的鲁棒性。最后,通过数学仿真验证了整个控制方案的可行性。     

机动弹头气动布局的一种新思路

常规的全动舵面机动弹头在再入飞行过程中,舵缝隙和舵轴附近的热环境特别恶劣,舵轴在承受巨大的弯扭力矩的同时,还必须解决所面临的严重的烧蚀防热问题,舵的设计往往成为影响弹头技战术性能的严重制约因素.本文提出了一种新型伸缩舵面机动弹头气动布局设计新理念,避免了普通全动舵面布局方案中舵轴设计面临的严峻的热环境和力环境等问题,而且还可以只通过这两片舵面实现对弹头的姿态和升力大小及方向的控制,从而实现对弹道的三维控制,是一种很有前途的机动弹头布局新思路.     

直连式三体绳系卫星姿态鲁棒最优跟踪控制

 针对存在参数不确定性以及外部有界干扰的直连式三体旋转绳系卫星系统姿态跟踪控制问题,提出了一种分布式鲁棒最优控制方法。该方法首先针对单体绳系卫星姿态模型,在不考虑参数不确定性和干扰的条件下,应用Hamilton-Jacobi-Bellman方程设计了最优控制器;接着,考虑到实际系统存在参数不确定性和干扰,采用自适应与鲁棒误差积分方法在线学习参数不确定性和有界干扰,与最优控制器结合设计了鲁棒最优控制器,使闭环系统满足了性能指标达到最小的要求,并应用Lyapunov稳定性定理证明了其闭环系统的渐近稳定性。进一步考虑到绳系卫星系统的运动同步性,将单体绳系卫星姿态控制器设计扩展至直连式三体绳系卫星姿态系统,设计了分布式鲁棒最优控制器。最后在MATLAB/Simulink平台上进行了仿真,验证了方法的可行性与有效性,表明其具有潜在的应用前景。     

变质心再入飞行器的动态逆控制器设计

在推导三通道稳定再入飞行器动力学方程的基础上,运用动态逆控制理论设计了三通道稳定模式下变质心再入飞行器的控制系统.仿真结果表明,所设计的控制系统能够有效地调整再入飞行器的飞行姿态并满足设计指标要求.     

筒式偏心在轨分离角速度抑制方法

筒式偏心在轨分离是一类特殊的在轨分离问题,小卫星偏心安装而产生的分离力矩将导致分离角速度,进而影响小卫星的分离指向精度,甚至导致释放平台姿态失稳。而常规的姿态大角速度机动、姿态快速稳定控制方法难以在小卫星出筒前的极短时间内完成分离角速度抑制。因此,进行了卫星筒式偏心在轨分离动力学分析,基于分离角速度的产生,提出了抑制分离姿态干扰的前馈控制力矩法和角速度预偏置法。在此基础上,推导了关键控制参数的近似计算公式,给出了控制量的优化求解方法,并分析了控制干扰因素对抑制结果的影响。最后,通过仿真算例分析,对比验证了两种抑制方法的有效性,并给出了其工程应用的建议。     

Analysis of reaction torque-based control of a redundant free-floating space robot

Owing to the dynamics coupling between a free-floating base and a manipulator,the non-stationary base of a space robot will face the issue of base disturbance due to a manipulator's motion.The reaction torque acted on the satellite base's centroid is an important index to measure the satellite base's disturbance.In this paper,a comprehensive analysis of the reaction torque is made,and a novel way to derive the analytical form of the reaction torque is proposed.In addition,the reaction torque null-space is derived,in which the manipulator's joint motion is dynamically decoupled from the motion of the satellite base,and its novel expression demonstrates the equivalence between the reaction torque null-space and the reaction null-space.Furthermore,the reaction torque acted as an optimization index can be utilized to achieve satellite base disturbance minimization in the generalized Jacobian-based end-effector Cartesian path tracking task.Besides,supposing that the redundant degrees of freedom are abundant to achieve reaction torque-based active control,the reaction torque can be used to realize satellite base attitude control,that is,base attitude adjustment or maintenance.Moreover,because reaction torque-based control is a second-order control scheme,joint torque minimization can be regarded as the optimization task in reaction torque-based active or in-active control.A real-time simulation system of a 7-DOF space robot under Linux/RTAI is developed to verify and test the feasibility and reliability of the proposed ideas.Our extensive empirical results demonstrate that the corresponding analysis about the reaction torque is correct and the proposed methods are feasible.     

弹体自旋条件下姿控发动机控制律设计

针对大气层内带有横向喷流姿控发动机和尾部气动舵的导弹,研究了弹体自旋条件下的姿态控制问题。以导弹的横向加速度为输出,建立了姿态系统数学模型,并对模型进行了分析和简化。考虑了双通道控制和单通道矢量控制两种控制方式,针对姿控发动机的离散工作特点,分别研究了控制律设计问题,实现了横向加速度的快速跟踪。针对喷流干扰效应,给出了喷流放大因子的在线估计算法。最后,进行了数值仿真,仿真结果说明了所提方法的有效性。