高超声速飞行器非线性控制研究

针对高超声速飞行器非线性控制研究问题,介绍了在控制器设计中的特点及难点;阐述了在现有文献中关 于高超声速飞行器非线性控制相关研究工作,并分别从变结构控制方法、鲁棒自适应控制方法、结合智能控制方法 以及观测器在控制器设计中的应用等方面进行了分析;最后,结合高超声速飞行器自身特点,指出了高超声速飞行 器非线性控制领域的研究热点和发展趋势。     

高超声速飞行器纵向飞行稳定域与迟滞分析

针对滑翔式高超声速飞行器纵向失稳问题,基于连续算法和分岔理论,求解并分析了特征点单参数分岔图、平衡分支的稳定性和突变点,得出在大迎角飞行时存在较为严重的失稳现象;最后分析了多吸引点和迟滞效应现象.研究结果表明,滑翔式高超声速飞行器在大迎角飞行时存在严重失稳、多吸引域和复杂迟滞运动.此结果在实现飞行器稳定飞行和控制器设计方面具有很好的参考价值.     

高超声速飞行器飞行动力学特性不确定分析

 高超声速飞行器分析模型存在较大不确定性,其给出的动力学特性与真实值之间存在偏差,因此研究飞行动力学特性分析结果的可信度水平对控制系统设计具有重要意义。针对典型的乘波体构型高超声速飞行器,在建立气动/结构/推进相互耦合的动力学模型基础上,利用非概率区间来描述模型中的不确定参数,并将复特征根不确定范围求解问题转化为频率和阻尼比两个实数的不确定区间分别求解,给出了动力学模态特征根、频率及阻尼比的不确定边界。分别采用直接蒙特卡罗(DMC)模拟方法、基于泰勒展开的区间分析方法(TIAM)和基于多项式逼近的区间分析方法(CIAM)对高超声速飞行器飞行动力学不确定性进行了研究。结果表明:CIAM计算时间适中,且给出的边界更为准确、安全,适合在控制系统设计和验证过程中使用。     

高超声速飞行展望

发展下一代高超声速飞行器的需求主要来自三个方面，第一方面是军用的高超声速飞行器，包括高Ｍ数的军用飞机和导弹，特别是跨大气层飞机，将使空中的作战平台提高到一个新水平，有可能在未来的高技术战争中起到杀手锏的作用；第二方面是高超声速客机；第三方面是水平起降的完全重复使用的天地往返运输系统。     

乘波体高超声速飞行器大包线鲁棒控制技术

乘波体高超声速飞行器的机体/动力耦合及大包线飞行特点导致其控制系统设计困难.基于大量气动数据,采用拟合的方法建立数学模型,并进行小扰动线性化,将机体/动力耦合、大包线飞行等转化为模型参数的大范围摄动.基于LQR和H∞理论设计双回路控制系统,内回路用于抑制模型参数的大范围摄动,外回路用于满足系统的性能要求.仿真结果表明:...     

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.      

高超声速飞行器自适应神经网络容错控制

针对高超声速飞行器巡航段执行器控制效益损失故障和卡死故障问题,基于高超声速飞行器纵向运动模型,将自适应算法与改进的径向基函数神经网络(RBFNN)方法相结合,设计了一种自适应神经网络容错控制器。所提出的容错控制方法具有无需估计执行器故障值的优点,且设计的控制算法结构简单,无需大量实时计算,可以快速处理故障的发生,确保系统在参数不确定、恒定或时变执行器故障与卡死故障情况下仍具有稳定跟踪能力。最后,仿真验证了该方法的有效性。     

不同飞行工况下的某高超飞行器流道特征及气动力特性研究

对一种类似于X-43A飞行器的一体化构形进行了全三维数值仿真模拟,将前体下表面侧沿程静压分布的计算结果与实验结果进行了对比,二者吻合较好,表明数值模拟方法正确,结果可信.在此基础上研究了不同飞行工况下飞行器流道特征及气动力特性的变化.研究结果表明:①研究范围内来流马赫数的变化对全流道的流动结构和全机气动力特性有着一定影响,使得飞行器全机的升阻比略有下降;②随着飞行攻角的改变,全流道的流动结构和升力系数变化显著,而阻力系数的变化并不明显;③侧滑角导致了不对称的流动结构,但在本文的研究范围内其进气道以及全机的气动特性的不利影响并不明显.      

高超声速飞行器飞行控制技术研究综述

与传统的航空航天器相比,高超声速飞行器具有建模困难、不确定性大、参数剧烈时变、耦合严重以及异类执行机构等控制难点。针对上述五个方面的研究现状进行综述,首先概括了高超声速飞行器建模研究成果,给出了面向控制系统设计的仿射非线性模型;其次针对不确定性、参数时变和耦合等问题,总结相关控制方法的研究成果;最后,对异类执行机构复合控制问题进行了阐述和总结。     

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。     

高超声速飞行器组合导航算法

以高超声速飞行器为对象,建立了卫星/惯性组合导航模型。选择组合系统的状态量并建立状态方程,推导位置观测方程和速度观测方程,通过位置、速度交替组合实现卫星/惯性系统的组合。通过仿真验证算法的有效性,仿真结果表明卫星/惯性组合导航可以得到较好的位置和速度信息,适中的姿态精度信息。     

高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。     

增程飞行器高超声速飞行的动态特性

研究了增程飞行器高超声速飞行时的动态特性.短程导弹和火箭弹等高超声速飞行来源于增程的实际需要,从超声速到高超声速飞行所遇到的主要飞行动力学问题是,尽管在增程前低超声速时具有良好稳定性,但在高超声速飞行中会丧失稳定性并导致复杂的锥动.通过飞行和风洞实验表明:高超声速飞行时增程飞行器固有的横侧向稳定特性丧失,带有弱滚转阻尼的不稳定荷兰滚振荡将导致滚转-偏航耦合,此外还存在由耦合导致的轻微不稳定拟周期模态和滚动共振.     

无人机飞行控制与管理

从无人机工程研制的角度出发,介绍了工程中常用的无人机飞行控制与管理系统的组成、结构、功能与外部接口;分析了系统功能设计时在飞行控制、飞行任务管理与规划、机载设备故障判断与处理、遥控遥测管理以及任务设备管理等方面应考虑的主要问题;从系统控制权限逐步增大的角度论述了无人机典型的遥控控制、人工干预自动控制以及自主控制等控制方式的特点、适用情形和发展前景;讨论了系统研制过程中的控制律设计、控制与管理策略设计、软件开发和高逼真仿真试验等主要关键技术;最后,归纳了区别于有人机系统的显著特点以及通用化、综合化、智能化和网络化的发展趋势。     

求解高超声速飞行器平衡状态的GA-SQP算法

 针对含有不稳定模态的高超声速飞行器平衡状态的求解问题,提出了遗传算法-序列二次规划(GA-SQP)混合优化求解算法.该算法基于GA,根据时间乘以误差绝对值积分(ITAE)性能指标,采用混沌搜索和淘汰机制,将配平问题转化为代价函数最小值的求解问题.此外,在局部搜索中引入SQP策略,分步求解升降舵偏角和油门设置,以及迎角初始值.通过建立基于Simulink的动态模型进行仿真,结果表明,该算法能够精确地收敛到平衡点,并具有较好的稳定性,而且与初始值无关.该算法为一类复杂非线性系统平衡状态的求解问题提供了一种实用有效的解决方法.     

高超声速再入飞行器气动轴研究

根据根据力学中的力螺旋概念，论述了再入飞行器的气动轴存在的一般性，分析了再入飞行器气动轴的三种类型，提供了确定气动轴的方法，建立了计算非对称再入飞行器飞动轴的近似方法和数值方法，近似方法基于修正的牛顿流理论和推广的内伏牛顿流理论，数值方法基于Ｊ．Ｅ．Ｄａｙｗｉｔｔ教授发展的分离系数矩阵欧拉方程时间相关方法和张鲁民研究员发展的三维定常分离系数矩阵欧拉方程的空间推进方法。     

高超声速滑翔飞行器摆动式机动突防弹道设计

 为提高大升阻比高超声速滑翔飞行器机动突防能力,提出了一种侧向摆动式机动弹道的设计方法。基于动态逆的思想,建立了侧向摆动式机动弹道的弹道形式和所需倾侧角间的关系模型;在平衡滑翔假设下,将包括动压、过载和热流在内的飞行约束转化为迎角约束,从而确定了迎角-速度飞行走廊;在此基础上,设计了平衡滑翔情况下满足侧向摆动式机动及飞行约束所需的迎角变化规律。根据所设计的迎角和倾侧角,即可实现平衡滑翔情况下预定机动模式的侧向机动。以HTV(Hypersonic Technology Vehicle)为例进行仿真分析,结果表明该方法能够快速设计出预定机动幅度和机动频率的侧向摆动式机动突防弹道。     

输入受限的吸气式高超声速飞行器自适应Terminal滑模控制

 针对吸气式高超声速飞行器的纵向运动模型,研究了输入受限时控制系统的设计问题,提出了一种内外环相结合的自适应Terminal滑模控制方法.以迎角和俯仰角速度作为内环控制对象,考虑到气动弹性模态和外部干扰,采用反步设计方法,设计出升降舵的自适应Terminal滑模控制律;以飞行速度作为外环控制对象,采用动态逆设计方法,设计出输入燃料当量比的动态逆自适应控制律,同时利用多层神经网络逼近控制律的饱和特性.基于Lyapunov稳定性理论,证明了采用此控制策略可以保证闭环控制系统的所有信号都是指数收敛至系统原点的一个有界邻域内,同时飞行器的气动弹性模态都是渐近稳定的.仿真结果表明,此控制策略能有效地处理吸气式高超声速飞行器在纵向运动过程中控制输入饱和受限的约束,在完成控制目标的同时,具有良好的过渡过程品质.