高超声速飞行器高阶滑模控制器设计

针对高度非线性、强耦合、参数不确定性的高超声速飞行器纵向运动数学模型,设计了一种基于Quasi-continuous高阶滑模理论的控制器,并与传统滑模控制器进行了分析和比较。仿真结果表明,Quasi-continu-ous高阶滑模控制在高度阶跃响应时间上比传统滑模控制减少了30%,速度阶跃响应时间比传统滑模控制减少了约56%。说明所设计的控制器能较好地满足在极端环境中飞行的高超声速飞行器对控制指令响应时间的要求。因此,该项研究对高超声速飞行器控制系统的设计有十分重要的参考价值。     

高超声速飞行器控制一体化设计

针对高超声速飞行器模型具有气动/推进/控制强耦合和强非线性的特点,提出了一套面向控制的一体化设计方案.在概念设计阶段,以飞行器控制性能为优化目标,对气动、推进、结构、控制等参数进行一体化综合优选来设计飞行器.考虑模型生成的保真度要求和计算效率,建立高超声速飞行器参数化的数学模型,并设计LQR(linear quadratic regulator)跟踪控制器.通过不断调整飞行器构型,比较控制相关的动静态特性和控制效果,面向控制需求选择新的飞行器构型,并进行了仿真验证.仿真结果表明:控制一体化设计方法应用于高超声速飞行器概念设计初期可以扩大飞行包线,有效增大失速裕度,减小油耗,提高操纵面效能,降低发动机壅塞制约,对高超声速飞行器的设计效率和控制性能的提高起到了指导性的作用.      

吸气式高超声速飞行器制导与控制研究现状及发展趋势

制导与控制技术是发展高超声速飞行器的关键技术,同时也是控制学科研究的热点问题,许多先进控制理论在此领域得到应用。鉴于此,分析了吸气式高超声速飞行器动力学模型非线性、强耦合和不确定性等特点,指出高超声速飞行器制导与控制技术面临的挑战。在综述国内外研究成果的基础上,对吸气式高超声速飞行器制导与控制中基于线性化的非线性控制方法和直接针对非线性模型的控制方法分类讨论,分析了尚待解决的问题和不足。最后,结合吸气式高超声速飞行器鲁棒性、自适应性和智能化的目标,从面向机动目标制导律、高速目标拦截器制导律、全空域机动飞行控制和先进智能控制理论等方面展望了此领域研究的发展趋势。     

高超声速飞行器纵向大攻角非线性失稳分析与控制

针对滑翔式高超声速飞行器大攻角纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解并分析了多特征点单参数分岔图,对平衡分支的稳定性和突变点进行了分析。结合高超声速飞行器大包线飞行特性,求解并分析了双参数分岔,并计算了稳定分支曲面和不稳定分支曲面,从全包线范围揭示了高超声速飞行器大攻角失稳特性。为了实现高超声速飞行器的稳定控制,基于非线性动态逆和分阶思想,设计了非线性控制器,并计算了非线性开环闭环系统的全局特征根分布,结合所提出的一种基于连续算法的非线性闭环系统全局性能评估方法,评估并分析得出非线性控制器的有效性和较优的全局性能。最后,对闭环系统进行了时间历程仿真,进一步验证了非线性控制器的有效性。     

基于动态逆-PID的高超声速飞行器巡航姿态控制

以某型高超声速飞行器为研究对象,针对巡航状态下气动参数不确定的姿态控制问题,提出了一种结合非线性动态逆控制与PID控制的姿态控制方法。首先,对高超声速飞行器非线性模型进行精确反馈线性化,得到了飞行器纵向姿态仿射非线性方程;接着,为速率变化快慢不同的迎角和俯仰角速率分别设计了动态逆控制律以抵消对象的非线性特性;然后,在动态逆控制的基础上,采用工程上易于实现的PID控制补偿由于未精确建模带来的系统逆误差,实现了迎角对指令信号的有效跟踪;最后,进行了数值仿真验证。结果表明,所设计的高超声速飞行器动态逆-PID姿态控制器具有良好的跟踪性能和鲁棒性能。     

高超声速飞行器非线性建模及开环特性分析

根据美国NASA Langly研究中心提供的有关Winged-Cone飞行器的文献资料,建立和完善了一类近空间高超声速飞行器的六自由度非线性模型.开环仿真分析结果表明,所建模型能够体现出高超声速飞行器复杂的非线性、强耦合性以及快速时变性等特点,可以为开展近空间高超声速飞行器控制问题的研究提供测试平台.     

高超声速飞行器强鲁棒自适应控制器设计新方法

针对高超声速飞行器飞行过程系统参数大范围剧烈变化以及存在严重不确定性的特点,同时考虑外界环境干扰复杂,内部干扰严重的特殊问题,提出了一种新型强鲁棒自适应控制器构型。该新型强鲁棒自适应控制器将控制器分为标称控制器和补偿控制器。标称控制器可采用成熟的控制理论来设计,主要考虑闭环系统的性能;采用合适的手段估计系统参数大范围剧烈变化、系统的不确定性以及内、外部干扰等“系统扰动”作为补偿控制器的输入,通过设计强鲁棒补偿控制器对“系统扰动”进行补偿,使整个闭环控制系统对“系统扰动”具有强鲁棒性。将新型强鲁棒自适应控制器应用于高超声速飞行器的姿态控制系统的设计,大大提高了高超声速飞行器控制系统对内、外部干扰的抑制和对系统参数大范围剧烈变化以及严重不确定性的适应能力,可满足高超声速飞行器飞行控制的需求。     

基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制

针对存在模型参数不确定和外部干扰的高超声速飞行器（HFV）跟踪控制问题,提出一种基于Backstepping方法的抗饱和非线性控制器。将飞行器纵向动力学模型分为速度子系统和航迹倾角子系统,然后针对每个子系统单独设计控制器。设计跟踪微分器获得信号的一阶导数,用以估计系统中的不确定干扰项和避免"微分项膨胀"问题。控制器设计过程考虑了控制量发生饱和的情况。基于Lyapunov理论证明了闭环系统信号的稳定性。与传统高超声速飞行器Backstepping方法相比,所设计的控制器采用待跟踪状态与理想控制指令之间的实际误差作为反馈量,放宽了对系统干扰项的限制,提高了控制器对控制增益变化的适应性,进而提高了闭环系统的跟踪控制性能。对比仿真结果验证了所设计方法的有效性。     

高超声速飞行器飞行特性和控制的若干问题

首先凹顾了近年来国外高超声速飞行器的研究现状和进展．对高超声速飞行器的一些相关技术进行了总结。其次．分析了高超声速飞行器飞行过程中的特性、再入大气层过程，以及目前可行的两极入轨方案。最后对高超声速飞行器的飞行控制方法进行了回顾和展望。     

面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法

从前期高超声速飞行器基础理论以及关键技术的研究到现今的飞行试验可以看出,高超声速飞行器在总体设计阶段过晚考虑飞行器动力学特性和控制性能会给后期控制系统设计带来极大的困难。在对两类高超声速飞行器试飞与控制相关问题分析的基础上,提出了面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法,给出了面向控制的总体优化设计研究方法、思路和模块框架。     

高超声速飞行器非线性纵向运动稳定性研究

针对研究高超声速飞行器飞行动力学稳定性时忽略方程非线性影响的问题,建立了保留非线性特征的六自由度动力学方程组和非线性活塞理论耦合模型。研究了初始迎角和活塞理论非线性项对高超声速飞行器纵向稳定性的影响,并在稳定巡航中施加瞬时扰动,分析其姿态响应。仿真结果表明:高超声速飞行器姿态收敛速度比常规低速飞行器慢很多;对迎角施加扰动后,飞行器姿态变化主要影响短周期模态,且偏离平衡位置越远,收敛越快;改变气动力非线性项时,其姿态变化主要影响长周期模态,且收敛较慢;两种扰动均对振荡周期无明显影响。     

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。     

高超声速飞行器底层性能评价指标的可行性分析

针对控制性能指标是否适用于高超声速飞行任务评价，研究了底层指标的可行性分析方法。首先分析了高超声速飞行器的模型特性，指出底层指标具备高超声速飞行器评价可行性的两点要求。根据上述要求将可行性分析转化为对于任务变量到底层评价指标的映射分析，并提出了一种基于统计实验分析的检验方法。结合高超声速飞行器模型特点，进一步设计了可行性分析流程。然后，分别以静态任务要求和速度、高度跟踪任务要求为例，对应提出频域性能指标和时域性能指标的可行性分析方法。最后针对频域性能指标评价静态任务的可行性设计仿真实验加以验证。仿真结果表明可行性分析的结论与军标观点一致，而且所提出的分析流程具有较好的可实现性。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计简

 针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术研究

分析了目前高超声速飞行器的发展现状和发展趋势,指出高超武器已经给现有的防空反导武器系统带来极大威胁和挑战。针对高超声速飞行器的拦截问题,分析梳理了相关的技术难点。为保证拦截成功,采用多枚拦截器编队拦截高超声速目标是目前高效可行的技术途径,而多临近空间拦截器自主协同制导控制技术则是关键技术。针对多临近空间拦截器编队攻击自主协同制导控制技术,分别从建模、决策规划、感知、制导、控制以及评估6个方面提出需要解决的关键技术问题。最后对多临近空间拦截器编队拦截自主协同制导控制技术进行了总结与展望。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计

针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

吸气式高超声速飞行器大迎角气动特性分析

吸气式高超声速飞行器在飞行过程中受到大气紊流等外部干扰的作用时,飞行姿态很可能会出现大迎角情况。针对大迎角飞行时飞行器可能出现的气动问题,对一种典型吸气式高超声速飞行器的流场进行了数值模拟。以雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程为控制方程,采用标准k-ε湍流模型求解,得到其流场特征和气动特性。重点针对大迎角情况,分别对整机气动特性、进气道性能和全动尾翼气动性能进行了分析,并结合流场特征作出解释。结果表明,机身和发动机之间存在气动/推进耦合现象。大迎角下飞行器的气动参数表现出非线性特性,升阻比减小,整机纵向表现为静不稳定,且不稳定性随迎角增大而增大;进气道性能在大迎角下降低,从而导致发动机推力下降,不利于发动机的正常工作,但却适当降低了整机的纵向静不稳定度;全动尾翼操纵效率降低从而使得配平难度增大。     

高超声速导弹等离子体合成射流控制数值研究

快响应控制技术已成为高超声速飞行器发展的关键技术之一,具有极快响应、零质量特性的等离子体合成射流(PSJ)已在超声速流动控制方面初步显示出优异的控制能力,极有潜力应用于高超声速飞行器的快响应控制。基于等离子体合成射流的快响应特性,提出了高超声速飞行器等离子体合成射流快响应控制技术,并通过建立简化的高超声速导弹流场控制模型,对等离子体合成射流控制高超声速导弹进行数值研究。首先,理论分析了高超声速导弹流场的典型结构特征,导弹流场中存在3个特征流场结构。在此基础上,在导弹3个特征位置前面安装等离子体合成射流激励器,研究等离子体合成射流对高超声速流场结构的控制作用,分析由此导致的导弹表面压力分布、升阻特性以及俯仰力矩特性变化。数值仿真结果表明:等离子体合成射流对高超声速导弹外流场中膨胀波和斜激波都具有控制作用,使得波的强度均变弱,且对斜激波的控制效果更为显著;导弹流场结构及气动特性变化具有很强的射流跟随性,射流作用下的导弹流场变化响应时间非常短,仅为0.2 ms;通过合理布置等离子合成射流激励器的位置,可以使得导弹表面压力分布快速改变,从而实现高超声速导弹姿态的快速控制。     

高超声速飞行器操稳性能分析

以静稳定性衡量稳定性能,以可用过载衡量机动性,给出了高超声速飞行器操稳性能的计算方法。并以高超声速飞行器基准外形为例,计算了其在不同马赫数下的操稳性能,分析了操稳性能随马赫数的变化关系,为高超声速飞行器概念设计阶段的优化设计提供了操稳性能优化指标。     

Review of control and guidance technology on hypersonic vehicle

Air-breathing hypersonic vehicle has great military and potential economic value due to its characteristics: high velocity, long range, quick response. Therefore, the development of hypersonic vehicle and its guidance and control technology are reviewed in this paper. Firstly, the development and classification of hypersonic vehicles around the world are summarized, and the geometric configuration and mission profile of typical air-breathing hypersonic vehicle are given.Secondly, the control dif...