平流层飞艇定点保持模式控制方法研究

平流层飞艇作为执行高空长航时任务的平台近年来引起了全球范围的关注。平流层飞艇运行的技术难题之一就是其在定点保持模式下的自主定位和定姿问题。本文率先建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论针对平流层飞艇定点保持模式的非线性系统设计了一种非线性控制律,并证明了所得到的闭环系统是全局渐近稳定的。通过数学仿真验证了该控制方法对非线性系统控制的有效性。     

非保形平流层飞艇升空过程热力耦合建模与压差控制分析

针对非保形平流层飞艇升空过程中气囊膨胀导致压强变化的问题，将飞艇升空阶段分为自由膨胀上升阶段和成形上升阶段，建立非保形平流层飞艇升空热力耦合模型，该模型很好地反映了飞艇内部的气体体积变化和压强变化，为研究平流层飞艇压差控制提供模型基础；考虑飞艇内部状态不能实时获取，提出基于模糊观测器的平流层飞艇压差控制方法，为保证在线学习能力，采用在线顺序模糊极限学习机(OS-Fuzzy-ELM)去训练模糊系统参数。对非保形平流层飞艇升空过程进行运动仿真分析，阐述了控制飞艇压差的必要性；对不同目标压强差下的压差控制进行仿真分析。结果表明，所设计的压差控制器具有良好的输入跟踪能力，对飞艇压差控制器的设计具有重要参考价值。     

具有多输入和扰动作用的空空导弹滚动通道的前馈/反馈自适应控制器

中程空空导弹的参数处于激烈、大范围的时变中，采用古典控制器很难满足不同高度弹道的性能规范。为了使导弹在飞行高度和速度大范围变化时均能保持优良性能，采用数字自适应控制方法是合适的。本文提出了一种基于超稳定性理论的飞行控制系统方案，其性能明显优于不采用自适应控制器的古典系统。     

半硬式与软式平流层飞艇结构静力性能比较

平流层飞艇是一种轻于空气的飞行器,可以在海拔20km的高度驻空工作几个月甚至几年,用于对地观测和通讯具有重大的政治和军事意义。平流层飞艇按照结构形式可分为软式和半硬式两种。分别选取了一种半硬式和软式平流层飞艇的结构体系布局方案。基于浮力与重力作用下平衡形态的原理,应用ANSYS有限元软件,建立了具有相同结构尺寸和结构质量的半硬式和软式平流层飞艇的结构模型,在相同的载荷和约束条件下比较了两艘艇结构的力学性能。通过计算分析,在受到外载荷的作用时,相比较于只由蒙皮构成的软式艇结构,内部具有刚性龙骨的半硬式结构设计,可以更好的协调整艇的结构变形,改善蒙皮的应力分布和保持蒙皮双向受拉的工作状态,有效地避免蒙皮出现单向受拉或褶皱等失效状态。所以,半硬式艇结构比软式艇结构更适合作为平流层飞艇的结构形式。文章研究结果可为平流层飞艇结构方案的选择提供参考。     

一种基于学习的高超声速飞行器智能控制方法

针对吸气式高超声速飞行器的飞行控制问题，提出一种基于学习的智能控制方法。为便于控制器设计，将飞行器动力学模型划分为速度子系统和高度子系统：为解决速度子系统控制输入受限的问题，提出一种基于强化学习的智能控制方案；对于考虑有限通信资源的高度子系统跟踪控制问题，提出一种基于事件触发的确定学习控制方案。该方案包含离线学习训练和在线触发控制两个阶段。首先在本地离线学习训练阶段获取并存储系统的未知动态知识，随后利用所获取的经验知识设计基于事件触发机制的在线触发控制器。本文所提方案基于学习的思想将离线学习训练获取的智能体和经验知识应用于在线控制，使得所提方案能够快速计算控制指令且通信资源占用少。仿真结果说明了所提出方法的有效性。     

平流层飞艇定点保持模式的建模与稳定性分析

平流层飞艇作为一种新型的通信和观测等应用平台受到世界各国越来越多的重视,定点保持模式是平流层飞艇的飞行任务中很重要的一环。该模式下的控制系统与平飞模式下的传统舵面、螺旋桨控制系统相比具有较大的特殊性。文章建立了平流层飞艇定点保持模式的动力学模型,并分析了模型中假设的控制输入即矢量推力螺旋桨执行机构所产生的控制力和力矩在物理实现上的可行性。在此基础上,采用李雅普诺夫(Lyapunov)近似理论对无控制输入系统进行了稳定性分析,得出系统在无控制输入时是不稳定的,最后通过仿真验证了分析结果。     

基于螺旋桨系统的平流层飞艇复合控制系统

针对平流层飞艇采用螺旋桨推力／气动力复合控制问题,提出了一种基于自适应滑模控制与模糊逻辑的姿态控制设计方法。基于平流层飞艇控制系统的配置状况,建立了飞艇俯仰通道的动力学模型,并将该动力学控制系统分为气动力控制子系统和螺旋桨推力控制子系统两部分。整个控制系统采用自适应滑模控制理论进行设计,利用所具有的强鲁棒性优点,克服了包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响。并通过基于规则的模糊推理来确定不同条件下控制力作用的大小,削除滑模控制产生的抖振。最后仿真结果表明,所提出的复合控制方案对平流层飞艇的姿态稳定具有良好的控制效果,从而验证了复合控制系统设计的有效性。
     

基于滑模变结构的导弹高度控制系统设计

对一类采用过载控制的飞行器的高度控制系统,采用Lyapunov函数方法,进行了基于滑模理论的变结构控制器设计.该方案使得不同初始状态与控制目的的高度控制系统,均能在输入受限的条件下,收敛到系统原点领域.高度控制系统是一类非线性系统.本文通过构造Lyapunov函数方法,确保了系统的稳定性.最后仿真结果表明了该方案的有效性.     

基于自适应动态逆的自主飞艇速度控制系统设计

针对无人自主飞艇上升或下降的速度控制问题,提出了一种基于神经网络自适应动态 逆控制的飞行速度控制设计方法。基于自主飞艇浮力控制系统的配置状况,建立了飞艇飞行 速度的数学模型。引入速度控制系统的参考模型,并利用神经网络学习功能,获得非线性控 制系统的动态逆;通过引入速度误差的非线性补偿项,自适应补偿整个控制系统由于动态特 性变化引起的误差,克服包括参数摄动与外界扰动在内的各类不确定性因素的影响,实现飞 艇对期望速度的稳定跟踪。最后仿真结果表明,所提出的控制方案对无人自主飞艇的飞行速 度具有良好的控制效果,从而验证了控制系统设计的有效性。     

基于变论域的导弹电液伺服机构自适应模糊滑模控制

针对导弹电液伺服机构的跟踪控制,提出了一种自适应变论域模糊滑模的设计方案。引入变论域自适应模糊控制器,在线调节输入变量论域和规则后件隶属度函数以逼近理想控制器,使控制器的设计不依赖于被控对象的精确数学模型,确定模糊滑模补偿控制项,以补偿逼近误差并消除外部干扰的影响。仿真实验结果验证了该控制方案的有效性。     

基于视线制导的交会停靠控制方法

空间交会停靠段的控制经常采用的一种方法是基于视线位置信息的平行接近法。本文对纵向控制中的非线性滑动模态控制方法进行了研究和改进 ,考虑了视线角对纵向控制的耦合作用 ,增加了耦合项 ,并进行了存在性和稳定性分析。对于横向和纵向同时协调控制 ,提出一种多变量互相耦合的非线性滑动模态视线制导控制方法 ,并对同时协调控制进行了存在性和稳定性分析     

The Use of Quaternions in the Optimal Control Problems of Motion of the Center of Mass of a Spacecraft in a Newtonian Gravitational Field: I

The problem of optimal control is considered for the motion of the center of mass of a spacecraft in a central Newtonian gravitational field. For solving the problem, two variants of the equations of motion for the spacecraft center of mass are used, written in rotating coordinate systems. Both the variants have a quaternion variable among the phase variables. In the first variant this variable characterizes the orientation of an instantaneous orbit of the spacecraft and (simultaneously) the spacecraft location in this orbit, while in the second variant only the instantaneous orbit orientation is specified by it. The suggested equations are convenient in the respect that they allow the general three-dimensional problem of optimal control by the motion of the spacecraft center of mass to be considered as a composition of two interrelated problems. In the first variant these problems are (1) the problem of control of the shape and size of the spacecraft orbit and (2) the problem of control of the orientation of a spacecraft orbit and the spacecraft location in this orbit. The second variant treats (1) the problem of control of the shape and size of the spacecraft orbit and the orbit location of the spacecraft and (2) the problem of control of the orientation of the spacecraft orbit. The use of quaternion variables makes this consideration most efficient. The problem of optimal control is solved on the basis of the maximum principle. Several first integrals of the systems of equations of the boundary value problems of the maximum principle are found. Transformations are suggested that reduce the dimensions of the systems of differential equations of boundary value problems (without complicating them). Geometrical interpretations are given to the transformations and first integrals. The relation of the vectorial first integral of one of the derived systems of equations (which is an analog of the well-known vectorial first integral of the studied problem of optimal control) with the found quaternion first integral is considered. In this paper, which is the first part of the work, we consider the models of motion of the spacecraft center of mass that employ quaternion variables. The problem of optimal control by the motion of the spacecraft center of mass is investigated on the basis of the first variant of equations of motion. An example of a numerical solution of the problem is given.     

Optimal control of the deployment process of solar wings on spacecraft

The optimal attitude control problem of spacecraft during the stretching process of solar wings is investigated in this paper. The dynamical equations of the nonholonomic system are derived from the conservation principle of the angular momentum of the multibody system. Attitude control of the spacecraft with internal motion is reduced to a nonholonomic motion planning problem. The spacecraft attitude control is transformed into the steering problem for a drift free control system. The optimal solution for steering a spacecraft with solar wings is presented. The controlled motion of spacecraft is simulated for two cases. The numerical results demonstrate the effectiveness of the optimal control approach.     

The Effect of Dissipative Moments Caused by Liquid Body Viscosity on the Rotation Stability of a Space Object

The influence of dissipative forces in a viscous liquid that completely fills the cavities of a space object executing a rotational motion is analyzed. The Navier–Stokes equations are solved by expanding them into a series in terms of eigenfunctions of the boundary value problem on involving the resting liquid in rotation around the longitudinal axis of a cavity. The analytical solutions for coaxial cylindrical and concentric spherical cavities are obtained, in particular, for a straight circular cylinder and a sphere. The stability of the single-axis orientation of a space object filled with a viscous liquid is investigated. The dependences of rotation decay processes and drifts of the space object's longitudinal axis from a given direction are shown on the plane of constructive parameters.     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。     

减速板故障下的RLV末端区域能量管理算法设计

针对可重复使用运载器(RLV)在末端区域能量管理阶段可能存在减速板故障而无法精确控制速度大小，导致无法稳定到达着陆窗口的问题，提出一种考虑减速板故障下的在线RLV末端区域能量管理算法。首先给出减速板卡死故障下的飞行器运动模型，并分析其对飞行器运动产生的影响。然后，在能量走廊内设计纵向标称轨迹，结合飞行能力，设计有限时间轨迹跟踪控制器跟踪地面侧向几何轨迹。最后，分析动压剖面与飞行距离之间的关系，提出减速板卡死故障下的在线修正动压剖面算法，将传统的动压剖面四参数求解简化为单参数更新问题，避免动压剖面的迭代，简化计算流程。仿真结果表明，所设计的算法在减速板故障且存在气动不确定性时，能够顺利到达自主着陆窗口，具有鲁棒性。     

Rapid generation of entry trajectories with waypoint and no-fly zone constraints

Waypoints are positions for multiple payload deployments or reconnaissance missions, and no-fly zones are exclusion zones that cannot be passed for threat avoidance or due to geopolitical restrictions. This paper proposes a rapid entry trajectory generation approach satisfying waypoint and no-fly zone constraints for entry vehicles with relatively high lift-to-drag ratio. A lateral planning algorithm based on a Newton iteration scheme is developed to simultaneously design both the magnitude and sign of the control variable according to waypoints and no-fly zones. The algorithm converts the highly constrained trajectory planning problem into a series of one-parameter search problems based on a reduced-order system. Then, the quasi-equilibrium glide phenomenon is employed to extract the remaining state variables corresponding to longitudinal motion. The algorithm is tested using the Common Aero Vehicle model, and the results demonstrate that the algorithm can generate flyable entry trajectories rapidly within allowable tolerances while satisfying all the flight constraints.     

有限推力作用下相对运动的轨道控制方法研究

研究卫星在有限推力作用下的相对运动轨道控制问题。给出在地心惯性系描述的卫星相对轨道运动方程,根据最优控制理论提出一种有限推力作用下近似最优的轨道控制方法,该方法能适用于空间三维的轨道机动控制问题,最后通过数学仿真进行了验证。     

Some Methods of Automatic Control of Relative Motion of Objects in Near-Earth Orbits

The methods of automatic control of motion of a free-flight platform near the orbital space station are considered. The satellite-inspector intended for service of the International Space Station is an example of such objects. The algorithms of control of the platform motion along a trajectory specified by the space station operator are developed, and control of the station keeping mode for visual observation of the state of the space station's external surface is considered. The problem of control of a platform landing on a specially equipped docking unit of the orbital space station is also considered.     

临近空间高超声速目标跟踪动力学模型

针对临近空间滑跃式高超声速目标(NSHV)跟踪问题，提出一种新型的动力学跟踪模型。首先从动力学方程与横纵向机动样式两个方面分析了NSHV运动特性，将其抽象为滑跃式NSHV气动加速度相关性的一般规律；在此基础上将气动加速度中的阻力与爬升加速度建模为二阶时间相关模型，使其加速度自相关函数同时具备周期性与衰减性，并据此建立了动力学跟踪模型状态方程；此外，为应对有无动力段转换的误差突变问题(有动力的情况)，引入强跟踪滤波进行突变点的滤波补偿。最后通过与不同现有算法比较验证了模型的优 越性 。