基于全通道耦合特征模型的高超飞行器控制研究

建立了"类X-20"高超声速飞行器的动力学模型,针对攻角、侧滑角和滚转角三通道之间的强耦合性,提出了一种同时考虑状态耦合和输入耦合的全通道耦合特征模型,基于此特征模型设计由多输入多输出黄金分割自适应控制律、微分控制律和积分控制律相结合的组合控制器.最后,分别对精确模型和干扰模型进行仿真,验证控制器的跟踪能力及鲁棒性,并与单通道控制器比较,结果表明全通道耦合特征模型控制器在高超声速飞行器姿态控制方面具有明显优越性.     

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。      

基于输出重定义的再入飞行器动态逆姿态控制

再入飞行器仅使用两个体襟翼对姿态进行控制将导致横侧向运动中包含不稳定内动态。针对这一欠驱动问题,提出基于输出重定义的动态逆控制方法。采用输出重定义技术使零动态局部稳定,通过极点配置提高零动态的鲁棒性,对重定义输出系统进行反馈线性化从而设计动态逆控制器。仿真结果验证了该方法能确保零动态的稳定性,并显示出在镇定侧滑角的同时对攻角指令和倾侧角指令良好的跟踪性能,通过与反推力控制系统（RCS,Reaction Control System）单独控制的结果进行比较,表明该控制方法仅依靠气动舵面就能实现姿态的稳定控制,既节省了燃料,又减小了飞行器的结构复杂度,并且增大了飞行器的有效载荷。     

基于多输入多输出特征模型的高超声速飞行器自适应姿态控制

针对高超声速飞行器再入过程中强耦合、大扰动和大范围变化的气动参数的问题,基于特征建模的思想,分析动力学方程的耦合特点,采用分散控制的方案,把原非线性动力学方程用一个二阶时变差分方程组形式的特征模型描述,建立了攻角、侧滑角和滚转角三通道特征模型,并给出了黄金分割自适应的姿态控制方法．最后,针对类X-20高超声速飞行器进行数值仿真,仿真结果充分验证了这种自适应控制器的有效性．     

基于自适应高阶滑模的直气复合控制律设计

对直接力/气动力复合控制导弹控制律设计问题做出了研究.建立了俯仰平面内姿态控制系统的数学模型，应用非线性理论分析模型，基于分析简化模型，建立了用于控制律设计的简化模型.利用自适应高阶滑模进行了虚拟控制量设计，考虑气动舵舵偏以及舵偏角速度的约束以及脉冲发动机的特点，建立二次规划最优化问题.利用有效集法实时分配虚拟控制量，获得气动舵以及脉冲发动机控制量.进行数字仿真验证控制律有效性，所设计控制律适应气动舵以及脉冲发动机特点，能对过载指令进行快速跟踪.     

双射流环量控制翼型的控制力矩特性研究

为了探究环量控制技术在飞行控制性能方面的优势,在定常流场中对定常射流环量控制翼型的控制力矩作用机理展开了研究,采用数值仿真的方法,对比分析了单射流、双射流产生的虚拟舵面与传统舵面作用下的气动力系数的变化规律,并基于无舵面飞行器CCSCAOON对其气动力矩的控制特性进行了验证。验证结果表明:单射流作用下的虚拟舵面能够提供用于飞行器所需的滚转和俯仰力矩,且作用机理相似,控制性能优于传统舵面;无论是单射流还是双射流,在大迎角下虚拟舵面的气动控制特性较差,限制了环量控制的使用迎角;双射流较单射流而言,升阻比特性和控制力矩特性较好;双射流下的虚拟舵面通过调节下射流口动量系数,能够有效降低偏航力矩与滚转、俯仰力矩之间的耦合效应。      

一种高超声速飞行器的非线性再入姿态控制方法

针对高超声速飞行器的再入非线性动力学模型,利用SDRE（state dependent Riccati equation）设计姿态控制器。基于奇异摄动理论,把姿态动力学分解成姿态角和姿态角速度跟踪内、外环回路,同时把非线性动力学伪线性化。每个跟踪回路用SDRE获得控制律,考虑到SDRE局部渐近稳定的特点,可以保证系统闭环稳定。最后设计高超声速飞行器飞行控制系统,并在高超声速条件下进行仿真,验证了该方案的有效性。     

高超声速飞行器再入段滚转控制与舵系统技术指标

文章通过分析高超声速飞行器再入段横侧向对象特性,确定动压达到一定条件气动舵面完全参与姿态控制时的滚转控制策略.基于滚转回路结构,理论分析滚转回路性能指标与控制律参数的关系,估计舵系统带宽.结合仿真手段,给出典型状态下的定点计算结果,确定舵系统带宽要求.另外,通过仿真研究,探讨舵系统时间常数、阻尼比和时延对滚转控制品质的影响.     

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.      

一类面对称飞行器横侧向通道LCDP控制方法

某简洁气动布局面对称飞行器具有大升阻比、横侧向通道强耦合的特性,本文分析了该面对称飞行器横侧向通道耦合控制机理,构建了飞行器横侧向通道系统模型,进行了气动与控制一体化设计,推导了LCDP稳定性判据参数约束条件,结合典型飞行状态进行了仿真分析,结果表明仅用一对水平舵面可以实现面对称飞行器横侧向通道的稳定。     

类IXV飞行器初期再入制导与姿态控制方法研究

摘要： 针对类IXV飞行器无翼式升力体构型及采用RCS/尾襟翼组合控制特点，研究其初期再入段的高精度制导与姿态控制方法.设计带过程约束的数值预测 校正制导律以提高制导系统的鲁棒性及精确性；根据其执行机构配置特点，设计基于RCS的航向控制律及基于RCS/气动舵的纵、横向复合控制律，并采用鲁棒伺服LQR技术进行控制参数快速设计.通过蒙特卡洛打靶仿真来验证算法的精度及鲁棒性.     

高超声速巡航飞行器在线自适应反馈控制设计

由于飞行器模型的强非线性,各种建模不确定性以及飞行环境的复杂性,高超声速飞行器控制成为一个研究难点.针对某类具有参数不确定性的非线性系统,提出了一种反馈线性化与自适应估计相结合的方法,对非线性系统的输入输出动态应用反馈线性化处理以得到拟线性模型,并设计反馈控制律;对不确定参数采用自适应在线估计,利用Lyapunov方法分析稳定性;针对选择不同输出的情况,对如何消除内动态进行了讨论.为了验证该方法的可行性,将其应用于某高超声速飞行器巡航段纵向非线性模型,对速度和高度通道进行跟踪控制仿真,由于飞行器和大气环境存在建模不确定性,利用自适应控制对不确定参数进行在线估计.仿真结果显示该方法能够快速收敛,并且具有良好的在线自适应能力.     

高超声速飞行器离散模糊自适应控制

根据高超声速飞行器的欧拉近似离散模型,提出基于Back-stepping的模糊离散自适应控制器设计方法.结合模糊自适应控制和反馈线性化的方法,Back-stepping设计的每一步虚拟/实际控制量对系统非匹配的不确定性都能进行较好补偿.稳定性分析表明,该控制方法能够保证系统跟踪误差和模糊自适应参数误差是一致终值有界的.仿真使用了高超声速飞行器的纵向模型对算法进行了验证,得到了满意的控制效果.     

飞翼布局飞行器等离子体激励滚转操控试验

飞翼布局飞行器采用多个气动舵面共同作用来控制飞行,常规气动舵面的结构复杂,在大迎角时由于流动分离,舵面操纵效率显著降低。等离子体激励器具有结构简单、重量轻和响应快等优势,常被用在流动控制上。本文利用激励器抑制单侧翼面流动分离产生不对称的气动力,对飞翼布局飞行器滚转通道的控制进行了试验研究,得出了激励器在飞行器上的最优布置位置和最佳控制参数,并和常规副翼舵面滚转操控效果进行了对比。结果表明:布置于内翼、中翼前缘的等离子体激励器能够获得最佳的滚转控制效果;激励器调制频率对飞行器滚转控制效果的影响较大,而激励电压对滚转控制效果的影响较小;与常规副翼相比,等离子体激励器在大迎角时对滚转通道的操控效果优于副翼。     

基于逆动力学和在线参数辨识的飞机姿态控制

传统的综合飞行/火力控制系统的设计使用了PID(Proportion-Integral-Differential)结构的飞行/火力耦合器,具有鲁棒性差、设计工作量大等缺点.提出了一种基于逆动力学和在线参数辨识的方法,用于直接设计综合控制系统中的姿态控制器.其中,对飞机的转动动力学方程,推导得到了其逆特性的解析形式;使用在线参数辨识方法,对飞机的气动特性进行估计并用于舵面分配.以六自由度非线性飞机模型为对象进行了仿真,结果表明所设计的姿态控制系统具有快速性好、通道间解耦效果明显、对气动模型误差的鲁棒性强等优点.本方法也可推广用于其他的飞行器姿态控制系统设计.     

基于backstepping/RHO的变体飞机控制器设计

为了确保变体飞机在变体过程中的飞行稳定性,提出了一种并行修正控制器设计方案.采用backstepping方法进行标称控制器设计,提供基本的飞行稳定性和跟踪性能.使用雅可比线性化方法对变体飞机非线性方程进行线性化得到线性化模型,采用基于指令滤波器的滚动时域优化（RHO,Receding Horizon Optimal）方法进行修正控制器设计.在有限时域区间内实时解算修正控制量,对标称控制器进行补偿.从航迹角控制系统仿真结果可以看出,航迹角能够较好地跟踪指令信号,基本不受变体过程的影响,飞行控制系统满足实时性和鲁棒性的要求.     

吸气式高超声速飞行器冷流试验设计及验证

对于吸气式飞行器而言,地面冷流试验是检验其进气道性能及气动特性的一项重要手段.以二元混压式进气道、机体/推进系统耦合为基本特征,设计了采用超燃冲压发动机为推进系统的内外流一体化巡航飞行器,针对其高超声速特性开展了冷流风洞试验,来流速度范围Ma=5.0~7.0,攻角范围α=-4°~8°.测压试验结果表明,随着来流马赫数的增大,进气道的总压恢复系数下降;而流量系数先上升,在设计点达到最大值;在一定攻角范围内,进气道的总压恢复系数和流量系数提高,但当攻角增大至巡航攻角时,随着攻角的增大,进气道的总压恢复系数和流量系数逐渐下降.测力试验验证了数值算法的有效性,除轴向力系数以外,其余气动特性系数的发展规律及数值基本吻合,可通过修正试验值的方式外推出飞行器的气动特性数据.     

基于代理模型的高超声速飞行器协同优化设计

建立了类X-51A高超声速飞行器的多学科模型,包括外形、气动、推进、质量、热流、弹道等学科.采用多学科设计优化(MDO, Multidisciplinary Design Optimization)方法中的协同优化(CO, Collaborative Optimization)进行了计算,计算流程中构建了两个子系统优化器与弹道学科的代理模型,使用代理模型替代了计算耗时的真实模型.同时为了对比,采用了多学科可行法(MDF, Multidisciplinary Feasible Method)进行了优化计算.结果表明,二者的优化结果基本一致,优化之后的飞行器质量比初始构型飞行器降低了15.2%,航程提升了63.5%,并且使用代理模型后计算效率也得到了很大的提升.验证了基于代理模型的协同优化方法应用于高超声速飞行器设计中的有效性.     

直接力/气动力复合控制导弹 自适应模糊滑模控制

针对采用直接力/气动力复合控制导弹所具有的强耦合非线性等特性,提出了一种基于自适应模糊滑模控制的自动驾驶仪设计方法.该方法利用自适应模糊系统所具有的万能逼近特性,对大攻角飞行过程中导弹动力学系统存在的非线性特性进行逼近,并利用变结构控制对外界干扰的强鲁棒性,构造误差系统滑模面,克服了逼近误差和外界干扰对控制系统的影响,实现了对大机动指令的精确跟踪.仿真结果表明,所设计的控制方法对大过载指令有较好的跟踪效果,对模型不确定性和外界干扰也具有较好的鲁棒性.由于采用直接力/气动力复合控制,有效的减小了气动舵偏角,避免了气动舵的饱和.