固体导弹助推段自抗扰制导控制一体化设计方法

针对存在建模误差及外部干扰情况下的固体导弹助推段制导控制一体化(IGC)设计问题,给出一类自抗扰制导控制一体化设计方法。首先考虑质心运动与绕质心运动间的耦合,结合轨迹线性化方法建立了面向控制的固体导弹助推段制导控制一体化设计模型。采用扩张状态观测器(ESO)实时估计系统建模误差与外部干扰,进而基于反步法结合反馈线性化方法,提出一类考虑质心运动与绕质心运动间的耦合作用的自抗扰制导控制一体化设计方法,并通过Lyapunov稳定性理论证明了该制导控制一体化设计方法可保证闭环系统的稳定性,解决了传统制导控制系统分离设计方法无法保证闭环系统稳定性的问题。最后,数值仿真校验了本文所提的助推段自抗扰制导控制一体化(ADRIGC)设计方法的控制性能及抗干扰性能。     

飞行器制导控制一体化编队控制器设计

针对主从式结构飞行器协同编队控制问题，以侧滑转弯飞行器为研究对象，采用制导控制一体化(Integrated guidance and control, IGC)方法设计编队控制器。首先在惯性坐标系中定义相对运动坐标系，建立相对运动模型，结合飞行器动力学模型，得到全状态制导控制一体化模型；然后采用反演方法，结合滑模变结构与神经网络自适应理论设计了编队控制器，并证明了控制系统稳定性；最后在高速情况下进行了六自由度数值仿真，对比了IGC设计方法与分离设计方法的控制性能。仿真结果表明所设计的IGC控制器能够快速精确地对期望编队队形进行构建与保持，并且较分离设计方法具有优越性。     

应对机动目标的全捷联导弹制导控制一体化设计

针对全捷联导引头探测器与弹体固连带来的视线(LOS)测量与弹体姿态的耦合问题，基于干扰观测器和动态面控制提出一种考虑全捷联视线角(FOV)约束的制导控制一体化(IGC)设计方法。首先建立起具有严格状态反馈形式的全捷联制导控制一体化设计模型；其次，针对目标机动和气动扰动带来的模型不确定，设计了一种非线性干扰观测器对其进行在线估计，并将其估计信息的平方引入设计过程；第三，针对全捷联模式下有限视场角凸显的状态约束问题，基于积分型障碍Lyapunov函数与动态面控制设计了一体化制导控制规律，并对闭环系统的稳定性和信号的一致有界特性进行了证明。仿真结果表明,在目标进行不同类型机动和气动扰动存在的条件下，所设计方法均能保证制导精度以及视场角满足约束条件。     

吸气式组合动力高超声速飞行器上升段制导方法研究

针对涡轮/冲压/火箭三组合动力水平起降高超声速飞行器爬升段飞行轨迹设计和制导律设计问题，首先考虑宽速域组合动力发动机多模态特性和高低速气动特性差异，分别开展了涡轮段、引射段、纯冲压段及冲压火箭段的飞行策略研究，提出了不同阶段的飞行攻角剖面构型和火箭流量剖面构型，将无穷维轨迹优化问题转化为有限维参数规划问题，进而完成了组合动力上升段飞行轨迹的优化设计；在此基础上，结合轨迹线性化控制方法，开展了组合动力上升段轨迹跟踪制导律设计研究，给出了保证闭环稳定性和控制品质的制导律参数设计准则，最后通过开展仿真分析说明了提出轨迹设计及制导方法的有效性。     

航天器Halo轨道间转移的滚动时域控制

针对航天器在日/地系统共线平动点附近Halo轨道族之间的轨道转移问题,提出了一种在线实时求解滚动时域控制的新方法。首先采用高效的辛自适应非线性最优控制数值算法,离线规划出航天器在不同Halo轨道之间转移的最优轨迹和最优控制输入。然后提出一种在线实时求解滚动时域控制的新方法,基于已规划好的最优转移轨迹,应用滚动时域控制方法完成航天器在初始入轨偏差下的在线实时制导控制任务。最后的非线性动力学系统数值仿真结果表明:所提出的求解滚动时域控制的方法具有高效率特点,能够在线实时求解航天器在Halo轨道之间转移的制导控制问题,并很快消除初始入轨误差的影响。     

高超声速导弹制导控制一体化设计研究

针对高速大机动目标高精度拦截中传统制导控制系统设计时制导与控制回路分离设计问题,研究了将L1自适应控制用于导弹制导控制一体化(IGC)设计的方法。将弹目相对运动分解为纵向与侧向运动,讨论了纵向平面内的设计(侧向平面与其类似)。根据弹目相对运动学关系和纵向平面内轴对称导弹的动力学特性,基于零化视线角速率建立导弹纵向平面制导控制一体化模型。采用L1自适应控制设计了IGC控制器,给出了状态观测器模型和L1自适应律和低通滤波器。数字仿真结果表明:IGC设计能有效提高制导精度,显著增强了拦截系统的鲁棒性和可靠性。     

三维攻击角度约束部分制导控制一体化设计

针对侧滑转弯(STT)导弹带有攻击角度约束的机动目标拦截问题，提出一种基于自适应终端滑模动态面控制的三维部分制导控制一体化(PIGC)设计方法。首先，建立了针对机动目标拦截的侧滑转弯导弹三维部分制导控制一体化设计模型，且不需要导弹速度微分体轴系分量信息。然后，使用终端滑模控制理论构建误差向量与虚拟控制量，达成精确拦截与攻击角度约束的控制目的；引入有限时间非线性收敛扩张状态观测器(ESO)来在线估计系统不确定性；设计自适应算子与自适应更新律对观测器的估计误差进行补偿，以提高方法的鲁棒性。最后，三维空间拦截仿真校验了方法在提高拦截精度与增强角度约束收敛性能的有效性。     

落角与视场约束制导控制一体化策略

针对考虑视场(FOV)约束和落角约束的高超声速飞行器高精度打击问题，提出一种基于自适应动态规划(ADP)的新型制导控制一体化(IGC)策略。首先设计一种融合视场角与落角约束的视场角指令，在视场角精确跟踪的同时实现精确命中并满足两种约束，从而将约束问题转化为跟踪问题；然后，借助干扰观测技术估计制导控制一体化模型中不确定性并引入到性能指标设计中，又同时将视场角约束与落角约束考虑进去，设计基于自适应动态规划的制导控制一体化方法。利用ADP的强化学习思想求解出最优控制策略，既保证高超声速飞行器的精准打击，又满足视场角约束与落角约束，而且兼顾了对不确定性的鲁棒性。仿真结果验证了本文所提方法的有效性与优势。     

考虑约束的高超声速飞行器制导与控制一体化设计

针对高超声速飞行器上升段飞行过程中强耦合、强非线性同时要求满足过程约束的特点，提出了一种结合级联控制方法和控制障碍函数的新型三维制导控制一体化算法。首先通过对速度子系统设计控制障碍函数约束算法来满足飞行器的过程约束要求，然后利用反步法、动态逆控制方法设计其余子系统的控制器，两者共同组成制导控制一体化控制器。考虑到飞行器在上升过程中容易遭遇阵风扰动的问题，设计非线性干扰观测器以增强算法的鲁棒性。最后通过李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性，并且通过仿真验证了该新算法能够在满足高超声速飞行器上升段过程约束的同时，实现飞行器的三维跟踪控制。     

基于序列凸规划的运载火箭轨迹在线规划方法

针对大气层内气动力对轨迹规划求解实时性与收敛性的影响,提出一种基于模型补偿序列凸规划的大气层内火箭轨迹规划方法。该方法的核心思想是通过设计一种序列补偿的方式,将火箭动力学中非线性项(气动力加速度与重力加速度)与过程约束项(动压、过载约束等)进行凸化,从而将轨迹规划问题转化为序列凸规划问题而得到快速求解。在此基础上,本文理论分析了该序列凸规划方法的收敛性,保证该方法能够收敛到原问题的最优解。数值仿真表明,该方法能够完成大气层内的火箭上升段与垂直着陆段轨迹在线规划任务,方法的收敛速度能满足轨迹在线生成的实时性要求。     

拦截弹自适应最优滑模制导和控制一体化设计

针对传统制导和控制分开设计在拦截高速机动目标时的缺陷,设计了一种自适应最优滑模制导和控制一体化算法。首先基于零化视线角速率的思想,建立了制导和控制一体化模型;然后选取视线角速率为滑模面,结合HOSM鲁棒精确微分器参数,提出了一种最优滑模一体化制导和控制算法;最后设计了一种不确定性上界的自适应估计算法。仿真结果表明,与传统的制导和控制分开设计相比,所设计的一体化方法使得拦截弹具有更小的脱靶量,且姿态变化更加平稳。     

红外拦截弹输出反馈制导控制一体化设计

针对采用红外导引头的拦截弹，提出一种基于滑模观测器的制导控制一体化(IGC)控制方法，在导弹的部分状态已知和非匹配不确定性影响下，确保了其高精度拦截效果。首先，由于采用红外导引头的拦截弹的视线(LOS)角速率难以获取，系统将不满足干扰估计的匹配条件，设计了一种新型滑模观测器，通过构造补偿滑模观测器,同时实现导弹的未知状态和干扰的有限时间精确估计。然后，利用未知状态和干扰估计信息，设计反步控制器实现导弹的制导控制一体化，证明了系统的有界稳定。仿真结果表明，本文提出的方法可以获得较小的脱靶量，且对存在的不确定性具有较强的鲁棒性。     

再入飞行器滚动时域轨迹混沌优化设计

针对传统轨迹优化方法计算量比较大需要离线实现,以及对于初值选取比较敏感等问题,提出了一种基于预测控制的临近空间再入飞行器滑翔轨迹设计的实时优化策略。该算法通过将全局非线性优化问题转换成有限时域内的一维变量滚动时域次优化问题,利用均匀采样结合混沌搜索策略,给出了过载、动压和热流等多种过程约束下的次优攻角计算策略。通过合理调整目标函数中不同物理量权重的比例关系,分别得到弹跳形式和平稳滑翔形式的轨迹特征。该算法可以在不提供初始猜测值的情况下在线实现,为几种不同的轨迹形式提供了统一的生成框架;得到的可行次优轨迹曲线还可作为非线性规划方法的初值进一步优化。数学仿真结果说明了该算法的有效性。     

航天器柔性太阳翼最优PPF主动振动抑制方法

针对采用可变速控制力矩陀螺(VSCMG)进行柔性太阳翼振动抑制问题，提出一种基于求解非光滑 H∞ 综合问题的最优参数正位置反馈(PPF)控制方法。首先，建立考虑VSCMG和柔性太阳翼耦合的振动模型，得到了线性化的约束陀螺柔性板动力学模型，基于同位控制思想推导了以角度陀螺为测量装置的约束陀螺柔性板全阶状态空间模型。针对被控对象特性，确定最优PPF控制器的结构构型和待优化参数。进而，通过对约束陀螺柔性板全阶状态空间模型进行降阶、修正和加权处理，将PPF控制器参数优化问题转化为在PPF控制器构型约束条件下的非光滑H∞综合问题，并应用一阶下降算法进行寻优求解，实现最优PPF控制器的设计。该方法能够实现对各阶陀螺模态的独立控制，在保证快速性和鲁棒性的前提下，实现最优PPF参数的稳定高效求解。仿真结果表明，所提出的最优PPF控制方法能够快速、鲁棒地实现航天器柔性太阳翼的主动振动抑制。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾，研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先，考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求，建立姿态机动的多目标多约束条件，优化获得姿态机动轨迹，在满足快速性基础上，最大限度提高稳定性；其次，设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS)，与传统输入成形器相比，FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性，能够有效抑制柔性附件振动，为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础；最后，设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC)，避免增益过估计，提高控制精度，实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。     

运载火箭多体动力学建模与仿真技术研究

针对新一代运载火箭结构动力学与控制系统耦合强烈、严重影响火箭的飞行稳定问题,提出一种基于多体动力学虚拟样机建模与仿真的方法,有效解决运载火箭姿态动力学模型地面难以验证的困难。首先阐述了在运载火箭姿态动力学分析中应用多体虚拟样机的基本思路;然后对多体动力学模型与传统火箭姿态动力学模型在建模原理上的差异进行分析,指出引入多体仿真技术的意义;最后针对新一代火箭,提出并实现一种多体虚拟样机建模方法,仿真并验证了新一代火箭姿态控制模型与控制参数设计的正确性。本文的研究表明,航天器系统设计中常遇到复杂的动力学耦合问题,采用多体动力学虚拟样机仿真是一种行之有效的方法。     

吸气式高速飞行器爬升-巡航轨迹在线优化

针对吸气式高速飞行器的大气层内爬升和巡航飞行段,进行了在线轨迹优化设计。与传统的爬升段结合定高定速巡航轨迹形式不同,采用优化的方法得到的轨迹能够保证性能指标的最优性。首先,将轨迹优化问题建模为非线性最优控制问题,控制量包括攻角、倾侧角以及燃油当量比。然后,对问题的非线性进行了处理,将变量进行离散化,得到凸优化问题。分析了飞行器的气动和推力特性,设计了优化变量的初始参考。最后,设计算法的外环迭代策略,将每一次求得的解作为参考轨迹进行下一次迭代计算。数值仿真结果表明,该方法能够解决吸气式高速飞行器爬升巡航段轨迹优化问题,并且求解时间满足在线轨迹优化要求。