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。     

高超声速飞行器复杂结构热试验技术

为解决高超声速飞行器复杂结构热试验加热器设计难题,以高超声速飞行器钝头体试验样段为研究对象,对复杂结构热试验从试验方案确定,加热器详细设计,温度、应变、位移的测量及热流控制方法等相关技术进行研究。通过自行设计的红外加热器完成了钝头体试验样段的高温试验,获得了大量的温度、应变、位移等试验数据。通过本次研究,梳理了高超声速飞行器复杂结构加热器设计流程,为优化结构设计提供了重要试验数据支持。     

电液伺服泵的分数阶无抖振滑模控制

电液伺服泵（IEHSP）由于在结构上实现了伺服电机和液压泵共转子、共壳体高度融合,在体积、噪声和效率等方面具有明显优势,具有很好的应用前景。为了提高电液伺服泵的调速性能与抗扰能力,设计了一种新型分数阶滑模控制器（NFOSMC）。首先,由于分数阶微积分理论的引入,控制器为系统提供了更多的控制余度。然后,针对传统滑模控制中存在的抖振问题,通过设计使控制器中直接包含有切换项的分数阶积分项,利用其滤波特性可以有效滤除抖振,实现无抖振滑模控制。同时利用Lyapunov稳定性定理证明了控制器可以保证系统在存在内扰与外扰时能够在有限时间内收敛于平衡点,另外控制器中避免了含有高阶分数阶微分项,扩大了分数阶阶数的取值范围。为了进一步提高抗扰能力,设计了分数阶扰动观测器（FODOB）,对系统内扰和外扰实时观测并补偿,有效提高了控制器的响应速度和刚度。最后,分别与PI控制、整数阶滑模控制器（IOSMC）和传统分数阶滑模控制器（CFOSMC）进行了仿真分析比较,结果表明该控制器能够有效改善速度跟踪性能和增强抗扰能力,消抖效果显著。      

一种用于运动目标捕获的行星轮差动式欠驱动臂

为解决运动目标捕获过程中的碰撞问题,采用欠驱动自适应原理研制了具有碰撞能量吸收能力的机械臂。三自由度的机械臂由2个电机驱动:基关节由单个电机驱动;中关节和末关节由一个单输入双输出行星轮组完成动力分配。在机械臂捕获运动目标过程中,碰撞产生的部分冲击能量通过欠驱动行星轮组传递到末关节,转化为关节动能。依靠欠驱动机械系统完成对碰撞的响应,解决了控制系统因时延而无法快速对碰撞进行响应的难题。为完成对目标的抓取,基于阻抗控制提出了机械臂运动目标捕获控制算法。运动目标捕获实验验证了机械臂对碰撞的快速响应能力及运动目标捕获控制算法的可行性。      

基于编队控制的自适应HELLO更新算法

在无人机(UAVs)编队自组织网络中,针对无人机之间位置信息更新周期不合理,从而导致编队控制不稳定和控制开销过大的问题,提出一种基于无人机编队控制的自适应HELLO更新算法。该算法应用编队控制稳定性理论推导出无人机组成期望编队的控制延时上限,结合该延时上限和编队运动状态自适应地设定HELLO更新周期。仿真结果表明,本文提出的算法与固定HELLO更新周期算法相比,既能保证在组编控制过程的稳定性,又能实时维护稳定阶段的链路,并且显著减少网络中不必要的控制开销。      

可重复使用飞行器进场着陆拉平纵向控制

针对可重复使用飞行器（RLV）进场着陆拉平段的纵向控制问题,提出了反馈控制与前馈控制相结合的复合控制策略。设计反馈控制律参数,在此基础上基于时间加权高度跟踪误差/误差变化率平方积分指标优化设计前馈控制律参数。按输入补偿的前馈控制在不影响系统稳定性的前提下,提高了RLV对拉平着陆轨迹的跟踪精度,减小了RLV的接地散布。提出了基于积分器初值的控制律平滑切换方法,实现了RLV起落架释放前后不同控制律之间的平滑切换。仿真验证了拉平纵向复合控制和拉平过程中不同控制律之间平滑切换方法的有效性。      

自适应飞机驾驶员最优控制模型研究及应用

针对驾驶员最优控制模型(OCM)无法反映飞行员在未知环境下渐进适应过程这一缺点,采用自适应状态估计理论对OCM进行改进,建立了基于自适应状态估计的驾驶员最优控制模型(MOCM-AE),给出了算法流程。通过对比飞行试验数据和未知扰动下的着舰应用,对模型进行了评估。通过人机闭环仿真进行了飞行试验再现,得到了人机闭环频域曲线。对比结果表明,与OCM相比MOCM-AE的频域特性曲线与试验更为吻合。在着舰应用中,引入低空紊流作为未知扰动进行着舰仿真,结果表明OCM强烈依赖于先验经验,而MOCM-AE无论是否具有先验经验,无论是否存在未知扰动,均能取得良好着舰效果。在未知扰动和舰尾流影响下,MOCM-AE比传统OCM着舰精度提高59%,着舰点分布范围缩小29%,这体现了飞行员对未知环境的适应能力。     

城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法

密集的城市障碍环境以及复杂的城市风场干扰对航迹规划的实时性和航迹跟踪的准确性提出了严格要求,为此提出一种城市风场环境中的小型无人机(UAVs)快速航迹规划方法。首先,为了保证航迹规划的高效性,对固定翼无人机运动学方程进行了合理简化。其次,由于障碍环境中的最优航迹难以直接完全塑造,因此根据状态受限的最优控制理论给出了可以使用螺旋线与直线构建近似最优航迹的结论,并据此提出了一种针对城市环境的三维航迹规划方法。然后,通过对无人机运动学模型的分析,从规划角度提出了风场干扰下的航迹设计准则。仿真实验中,首先通过算法对比实验,验证了航迹规划方法的高效性;然后使用六自由度(DOF)飞机模型分别在无风场干扰和有风场干扰的环境下进行了航迹跟踪实验,实验结果证明了风场干扰下航迹设计准则的有效性。     

双臂自适应夹具加工变形控制方法

在叶片加工过程中,由于叶片的薄壁和曲率多变特点,易受装夹、切削力和残余应力的影响而产生弯曲、扭转变形。针对该问题,本文提出了一种双臂自适应夹具加工变形控制方法,将加工过程中产生的变形逐层消除。首先,对叶片的变形成因进行分析;然后,通过对无应力装夹和加工应力释放原理进行研究,设计了一种可提供6个自由度的自适应装夹机构,并对该机构进行了工程设计和机构分析;最后,基于这种6自由度双臂自适应装夹机构,形成了本文提出的加工变形控制工艺,不需多次修复基准和更换机床,就可以逐层消除新产生的变形。实验结果表明,采用双臂夹具自适应加工变形控制方法,可以有效控制叶片加工过程中产生的变形,使叶片的轮廓误差降为原来的50%,提高了其加工精度。     

基于螺旋理论描述的空间相对运动姿轨同步控制

对于姿轨运动存在严重耦合的空间相对接近操作,必须解决相对运动的姿轨同步控制问题。传统的相对姿轨分开建模串行控制方法,忽略了姿轨耦合,控制周期长且姿轨同步性差,显然不能满足要求。基于螺旋理论中的对偶数描述,建立了航天器六自由度相对运动模型,不仅包含了姿轨耦合项,而且形式统一有利于同步控制律的设计。针对模型中的耦合项进行分析,给出了相对姿轨耦合产生的成因。建立了相对姿轨同步误差,考虑模型的非线性,基于非线性反馈设计了一种同步控制律以消除该误差,并利用Lyapunov理论证明了控制律的稳定性。以两航天器交会接近的最后逼近段进行数字仿真,并与PD控制相对比,验证了所提方法的有效性,同时验证了所提方法可以实现姿轨控制的同步收敛,对于空间相对运动的姿轨同步操作具有重要意义。