可重复使用航天器反作用力控制系统控制方法

可重复使用航天器(RLV)再入过程初期,反作用力控制系统(RCS)是其姿态控制的主要手段,优化RCS控制方法可以降低RCS总冲需求并提高系统动态响应,以提高航天器的任务载荷和任务可靠性。以某跨大气层飞行器RCS为研究对象,给出了RCS模型和3种RCS控制方法,并进行仿真计算分析3种方法在完成特定飞行任务时的姿态控制效果及总冲需求。仿真结果表明:3种方法均能完成飞行器姿态控制,并各有其优缺点。本文的研究将为RLV飞行控制系统控制率设计提供有效参考。     

基于反作用发动机推力的空天飞行器再入姿态飞行控制

研究了空天飞行器(ASV)再入跨大气层飞行时的姿态控制问题。在ASV跨大气层再入飞行时,通过反作用控制系统(RCS)中的反作用发动机推力产生控制力矩来控制ASV的姿态,以补偿气动舵面操纵失效或者部分失效而引起的控制力矩不足;随着空气密度的增加,气动舵面逐步介入控制系统,RCS随之逐步退出.由于快回路控制器产生进行姿态控制所需要的控制力矩,其通过相应的控制分配将控制力矩映射到作动器,为了减轻作动器的抖振,提出了利用基于区域模型的T-S模糊多模型控制方法设计快回路控制器,在跟踪期望角速度的同时,柔化控制信号.最后通过仿真验证了所提方法的有效性.      

气动舵面/RCS复合控制系统构型设计与仿真

针对空天飞行器再入段异构执行机构复合控制问题,基于气动舵面和反作用推力器的特性,提出了适用于空天飞行器的3种气动舵面与反作用控制系统的复合控制构型：指令型、力矩型、指令误差型,以及相应的控制律设计方法,在此基础上完成空天飞行器再入段的控制系统设计。仿真结果表明,3种构型的复合控制系统均能满足指令跟踪性能要求,其中指令型复合控制系统气动舵工作最为平稳,推力器开启频次最少。从工程应用的角度出发,指令型复合控制系统的综合性能最为理想。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

无舵飞行控制系统的研究与开发

提出一种全新的飞行状态控制的实现途径———无舵飞行姿态控制,使飞机具有更优的飞控品质,并有利于气动外形和结构的优化。本文介绍了无舵飞行控制原理、飞控驱动装置控制功率需求的计算及确定方法等。     

一种多操纵面复合控制的动态分配策略研究

随着航空航天技术的迅速发展,现代飞行器常采用多种操纵面进行控制,以提高飞行性能。基于多操纵面控制的姿态控制系统,需要将控制量在各操纵面之间进行分配。然而由于不同操纵面的执行机构在摆角范围、舵面效能、负载特性等多个方面存在差异,单一的分配策略难以实现姿态控制系统的综合性能最优,甚至会影响到控制系统的稳定性。针对上述问题,提出了一种适应多种约束要求的目标函数构造方法,并在此基础上,研究了自适应动态加权最优分配策略,最后通过数学仿真试验对比验证了该分配策略的有效性。     

高超声速飞行器俯冲段制导控制一体化设计方法

针对高超声速飞行器高速俯冲飞行段制导控制系统设计问题,建立了俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型,提出了一种新颖的六自由度(6DoF)制导控制系统设计方法。基于目标-飞行器三维空间相对运动模型和坐标系转移关系建立了三维全耦合俯冲相对运动模型,推导得到了飞行器加速度在弹道坐标系三轴的分量与飞行器三通道角速率间的解析模型,进而结合飞行器绕质心动力学模型建立了以气动舵偏角为控制输入的俯冲飞行段制导控制一体化低阶设计模型。该制导控制一体化低阶设计模型降低了俯冲飞行段制导控制系统的模型阶数,减少了六自由度制导控制系统的设计参数,省略了传统设计方法中根据期望过载反求气动欧拉角的过程;同时利用解析模型替代了传统方法中姿态控制环路的跟踪控制过程,简化了制导控制系统的设计流程,为制导控制一体化设计提供了一种新的分析思路。数值仿真结果验证了本文提出的制导控制一体化设计方法的有效性和鲁棒性。     

再入飞行器自适应滑模姿态控制系统设计

针对再入飞行器姿态非匹配控制问题,提出了一种新的具有鲁棒性的自适应滑模姿态控制设计方法。首先,基于时标分离原则,将再入飞行器姿态动力学模型分为角度跟踪的慢时变控制子回路和角速度快时变控制子回路。其次,针对两个快、慢控制子回路,将其控制系统模型作为非匹配控制系统,分别设计了自适应滑模控制律,并严格证明了所设计控制系统的稳定性。最后,基于再入飞行器非线性姿态控制系统的数学仿真,在气动数据拉偏情况下,验证了姿态控制方法具有良好的鲁棒性和动态性能。     

具有自修复功能间接自适应飞行控制系统研究

分析了具有自修复功能的推力矢量飞机自适应控制系统的结构功能特点,利用RHO优化控制算法实现在线控制器设计,利用MSLS辨识算法实现在线飞行参数辨识,采用等价空间算法、传感器信息融合技术和概率统计理论实现FDI算法。依据系统各个部分的算法开发了仿真平台,对飞机存在舵面故障情况下的飞行控制系统进行仿真,解决了舵面损伤后气动参数变化问题。仿真表明,该控制系统是一个完整、鲁棒、收敛系统。     

气动推力矢量无舵面飞翼的飞行实验

为实现对无舵面飞翼姿态的控制，针对基本型旁路式双喉道气动推力矢量喷管提出了“单发倒Ⅴ双喷管”布局。随后对该布局的喷管进行测力实验，并且最终将其安装在飞行器上进行了成功试飞，并对采集到的飞行数据进行了分析。结果表明:喷管矢量角随喷管阀门开度基本呈线性变化，且无滞回性；安装该布局喷管的飞行器可以不通过舵面控制，仅仅依靠旁路式双喉道气动推力矢量喷管即可有效地控制飞行器姿态；对于所研究的飞行器，在滚转机动性方面，矢量控制与舵面控制效果相近，而对于俯仰机动性，矢量控制效果较弱；后续如果使用该布局喷管控制飞行器姿态时，应当增大两个喷管之间的夹角，将更适用于飞翼布局飞行器的操纵。      

飞机总能量控制系统的研究Ⅰ——原理分析与系统设计

飞机总能量控制是一种全新的综合飞行/推力控制技术,从控制飞机总能量的变化与分配出发,全面解决纵向飞行轨迹控制与速度控制之间的耦合问题;进而建立起一体化的综合飞行控制系统。用多变量系统解耦控制理论研究了这种控制系统,首先分析了总能量控制的基本思想,建立起包含飞机纵向姿态控制回路和发动机推力控制回路的飞机质点能量运动模型,然后利用输出反馈和V规范型前馈解耦策略,对此系统进行解耦分析,设计出能实现飞行轨迹与速度间解耦控制的总能量控制律,并确定出系统的设计条件;最后以波音(Boeing)707飞机为对象,进行了具体的系统设计。     

跨大气层飞行器再入段RCS控制特性

以航天飞机为例．论述了跨火气层飞行器反推力控制系统（Reaction Control System，RCS）的工作原理，并给出了RCS推进器的控制模型。同时分析了RCS在回路中的各种工作模式和多推进器的系统冗余及其组合方式。最后在对RCS系统操作的基础上，研究了航天飞机在再人段飞行时的RCS控制问题。     

Finite-time sliding mode attitude control for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system

This paper proposes a finite-time robust flight controller, targeting for a reentry vehicle with blended aerodynamic surfaces and a reaction control system(RCS). Firstly, a novel finite-time attitude controller is pointed out with the introduction of a nonsingular finite-time sliding mode manifold. The attitude tracking errors are mathematically proved to converge to zero within finite time which can be estimated. In order to improve the performance, a second-order finite-time sliding mode controller is further developed to effectively alleviate chattering without any deterioration of robustness and accuracy. Moreover, an optimization control allocation algorithm, using linear programming and a pulse-width pulse-frequency(PWPF) modulator, is designed to allocate torque commands for all the aerodynamic surface deflections and on–off switching-states of RCS thrusters.Simulations are provided for the reentry vehicle considering uncertain parameters and external disturbances for practical purposes, and the results demonstrate the effectiveness and robustness of the attitude control system.     

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.     

内装式空射火箭箭机分离RCS姿态控制方案研究

采用反作用喷气控制系统(RCS)对内装式空中发射运载火箭箭机分离阶段实施姿态控制的方案进行了研究.根据不同发射条件下的箭机分离运动,确定了RCS启控时运载火箭的飞行状态,设计了发动机点火前的运载火箭俯仰运动程序.在此基础上,给定标准弹道方案,并确定了RCS推力器组合方案.采用脉冲调宽调频(PWPF)调制方法,设计出适合...     

飞行器RCS控制力矩辨识方法研究

对于依靠RCS(反作用控制系统)进行控制的返回舱等跨大气层飞行器,如何获得其在真实飞行条件下RCS的控制力矩一直是一个难题。本文提出了采用系统辨识技术得到RCS控制力矩的思路,研究建立了基于最大似然准则和牛顿-拉夫逊迭代算法的参数辨识算法模型。仿真辨识及对某飞船返回舱实际飞行数据的辨识结果表明,本文建立的方法是有效的,利用其能够对飞行器的气动力矩和RCS控制力矩同时进行有效辨识。     

一种自主飞行的小型无人机系统设计

介绍了小型无人机系统的总体结构,分析了无人机的结构设计和算法,阐述了弹射起飞系统和伞降着陆系统的设计原理,采用嵌入式系统和GPS设计无人机的飞行姿态控制、导航控制、任务控制系统和数据链,实现了空中机器人的自主飞行。     

Virtual flight test of pitch and roll attitude control based on circulation control of tailless flying wing aircraft without rudders

Circulation Control(CC) realizes rudderless flight control by driving compressed air jet to generate a virtual rudder surface, which significantly improves low detectability. The layout plan of combined control rudder surface is proposed based on the tailless flying wing aircraft. The closed-loop jet actuator system and stepless rudder surface switching control strategy are used to quantitatively study the control characteristics of circulation actuator for pitch and roll attitude through 3-DOF ...     

基于数值虚拟飞行技术的飞行器动态特性分析

基于结合结构重叠网格、闭环PID控制器、舵偏控制律、刚体六自由度运动和非定常Navier-Stokes方程求解等模块的数值虚拟飞行技术,对“起源号”返回舱、基本带翼导弹外形的多自由度非定常运动、受控特性及控制参数的整定开展了模拟。分析了不同自由度（DOF）下飞行器的运动特性,飞行器受扰动后的稳定性及控制参数的整定。计算结果表明：利用数值虚拟飞行技术可有效地开展复杂流动下飞行物体非线性运动问题的研究,对研究飞行器在非线性流动下的动态特性、受控特性、流动机理研究以及控制律的设计检验具有较高的工程价值和应用前景。