反吸气式临近空间飞行器空基拦截弹制导律设计

临近空间高超声速飞行器的出现和应用,为传统防空系统提出了新的挑战。提出了一种反临近空间高超声速吸气式飞行器巡航段空基拦截方案,并设计了基于末角约束比例导引法的中制导律和空基拦截弹复合制导律。仿真结果表明,改进末角约束比例导引法能充分利用拦截弹中制导段过载承受能力,有效地加快了拦截弹达到期望末视线角的速度,改善了中末交班性能;所设计的拦截方案能够对典型机动目标实施有效拦截。     

高超声速飞行器拦截中制导律设计

针对拦截高超声速飞行器的要求,基于最优控制理论,利用积分滑模的思想设计了拦截高超声速飞行器的中制导律。分析了拦截弹的中制导与末制导交班条件,利用二次型最优控制方法求得最优制导律;面对目标的机动情况,利用积分滑模控制方法对最优制导律进行改进,最终得到积分滑模最优中制导律。仿真结果表明,所设计的中制导律不但能够满足最优制导律的约束条件,还能够降低过载的需求,抑制视线角速度的波动,具有良好的制导性能。     

高超声速战术导弹精确制导律设计

高超声速战术导弹以其固有的特点在高速目标拦截上应用前景巨大.如何针对高超声速战术导弹高速度、高不确定性的特点设计精确的制导律是导弹能否摧毁目标的关键.针对高超声速战术导弹和高速机动目标建立了相对运动模型,利用自适应滑模控制理论,设计了导弹的自适应精确制导律,并进行了仿真分析.结果表明,该制导律具有较好的控制效果.     

基于动态逆-滑模的高速飞行器控制器设计

吸气式高超声速飞行器巡航状态下飞行环境复杂,建模时存在非线性以及参数摄动.基于小扰动假设的传统经典控制理论难以适应当前任务对鲁棒性的要求,对此提出了一种非线性动态逆-滑模控制律改进方法.通过对吸气式高超声速飞行器模型精确反馈线性化得到解耦形式的线性方程,为速度和高度设计出动态逆控制律来抵消非线性特性,在动态逆的基础上采用滑模变结构来补偿参数摄动带来的误差.仿真结果表明,所设计的控制方法具有良好的动态性能及鲁棒性.     

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.     

面向跟踪的吸气式高超声速飞行器动力学建模

根据吸气式高超声速目标的动力学特性,对传统动压加速度模型的局限性做了分析。在重力转弯模型框架中,基于超燃冲压发动机的推力产生机理以及高超声速流场的斜激波方程和普朗特梅叶方程,提出了描述目标切向加速度的推广模型和目标法向加速度的斜激波、非解析混合模型。随后,基于高超声速流场工程近似算法对吸气式高超声速目标的模式特征进行分析,并设计了均匀模型集。对攻角、滚转角以及发动机状态发生突变的高超声速机动目标跟踪问题进行了仿真研究。结果表明,新的模型集能够较好地适应目标突然加速和转弯机动,有效跟踪助推跳跃机动的吸气式高超声速目标。     

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。     

基于自适应动态规划的反高超武器微分对策制导律

随着各国高超声速技术的武器化进程加快,对反高超声速武器拦截技术的研究也不断深入,高超声速 武器高速度、大范围主动博弈突防的拦截制导问题成为拦截制导律设计领域的研究热点。针对具有主动博弈突防能力的高超声速目标拦截场景进行微分对策问题建模,并采用基于双启发式的自适应动态规划算法,对连 续非线性系统的微分对策纳什均衡解进行求取;通过 Matlab数字仿真对设计的拦截制导方法进行验证。结果 表明:相较于最优滑模制导律,基于自适应动态规划的微分对策制导律对目标的逃逸机动具有更强的适应性, 能够获得更高的拦截精度。     

高超声速飞行器发射段运动模态特征分析

在发射段,吸气式高超声速飞行器和助推火箭构成了一个整体,其运动轨迹属机动轨迹,以此轨迹作为基准状态的运动模态受轨迹机动性的影响.以某吸气式高超声速飞行器和助推火箭组成的整体为研究对象,采用“系数冻结法”,选取机动轨迹跃升段上一个典型的冻结点,建立了线性模型.通过计算分析,得出了飞行器在该点的模态特征,并揭示了轨迹参数和飞行器结构的不对称性对运动模态的影响机理.所得结论对高超声速飞行器的控制器设计和发射轨迹选择有重要意义.     

临近空间高超声速滑跃式机动目标的跟踪模型

滑跃式机动是临近空间高超声速飞行器的一种重要运动方式,现有文献中鲜有对高超声速滑跃式机动目标跟踪技术的报道。为此,提出了一种针对临近空间高超声速滑跃式机动目标的跟踪模型,其核心是将目标加速度建模为具有正弦波自相关的零均值随机过程,并据此构建了跟踪临近空间高超声速滑跃式机动目标的状态方程。通过仿真实验与Singer模型、Jerk模型和CV+CA+Singer交互式多模型IMM进行比较,证明了所提模型在跟踪临近空间高超声速滑跃式机动目标时的合理性与优势性。     

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。     

前缘钝化对高超声速飞行器气动特性的影响

为解决前缘钝化后由于外形的变化引起周围流场改变,导致激波形状发生变化而影响飞行器气动特性的问题,对前缘钝化后的吸气式高超声速飞行器气动特性进行了研究。对比分析了前缘钝化对吸气式高超声速飞行器气动特性的影响,得出了吸气式高超声速飞行器气动性能参数随着钝化半径的变化规律。研究结论可为乘波构型的高超声速飞行器一体化设计提供一定的依据。     

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。     

螺旋俯冲机动突防的制导律设计

针对识别和拦截技术高度发展所带来的突防难题,提出高超声速滑翔飞行器（HGV）螺旋俯冲机动突防的概念,并为此设计了一种基于虚拟滑动目标的自适应比例导引律。首先,通过分析HGV绕目标飞行的运动学特性,建立对数型的螺旋运动模型,以该模型为基础利用曲线渐伸线原理设计虚拟目标的滑动轨迹。然后,采用包含时变附加项的比例导引律追踪虚拟目标,从而实现引导HGV进行螺旋俯冲机动以及对真实目标的打击。接着,为提高虚拟目标的跟踪精度以及抵抗外部干扰的能力,设计了制导参数的闭环非线性自适应律,能根据当前偏差在线选择制导参数值。此外,还分析了满足收敛条件的制导参数的取值范围以及其进入闭环更新的策略。最后,分别针对静止目标和低速移动目标进行数值仿真验证,结果表明所设计的制导律不但能够引导HGV实施螺旋俯冲机动,还能够准确地命中目标。     

有向拓扑条件下针对机动目标的分布式协同制导律设计

研究了在有向拓扑条件下针对机动目标的分布式协同制导律的设计问题。首先，根据飞行器与目标之间追击过程的几何关系建立制导过程系统模型，针对该模型的非线性问题采用动态反馈线性化方法进行处理。将目标未知机动视为干扰，通过扩张状态观测器进行观测，同时将该估计值用于制导律的设计中，通过直接补偿的方式剔除目标机动对飞行器剩余飞行时间的影响。然后，将所设计的制导律代入到制导模型中，利用一致性分析方法将多飞行器协同制导问题转化为一致性问题，利用极点分析的方法对非一致性子空间的收敛性进行分析，得到协同制导律收敛的充要条件。最后，通过仿真分析的方式对所设计的协同制导律以及制导律的参数选取方法进行分析。     

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。     

基于最优控制的高速飞行器突防技术研究

以空战飞机突防为背景,基于最优控制对高速飞行器的突防技术进行研究。分别建立了高速飞行器运动模型、拦截弹运动模型和相对运动模型。为了实现突防,设计高速飞行器和拦截弹的视线角速率在某一时刻趋于无穷大,并将此作为终端约束;考虑高速飞行器控制能量最小,建立性能指标函数,基于最优控制理论设计突防制导律。仿真结果表明,采用最优突防制导律的高速飞行器能够突破防御弹的拦截,且控制能量要小于蛇形机动和方波机动突防策略所需的控制能量。     

考虑输入饱和的制导控制一体化设计

高超声速飞行器俯冲时具有快时变特性,执行机构限于物理约束极易导致控制输入达到饱和,针对该问题提出考虑输入饱和约束的制导与控制一体化设计方法。首先,建立纵向制导与控制一体化设计模型,采用干扰观测器对系统不确定性进行估计补偿,然后结合加幂积分方法与嵌套饱和方法设计了新的制导控制一体化非线性控制律。通过严格的理论分析证明了带有饱和约束的控制器可令系统状态全局有限时间稳定,由于控制律中的虚拟控制量均考虑了饱和约束,做到了全局协调抗饱和,从而可更充分地利用飞行器控制能力去实现精准控制。数值仿真实例验证了提出方法的有效性及鲁棒性。     

风洞非均匀流场中的一体化高超声速飞行器缩比模型气动性能研究

准确预测气动推进性能是吸气式高超声速飞行器研究的重要挑战之一。针对CARDC吸气式高超声速实验室（AHL）自主设计的一体化高超声速飞行器风洞试验模型,通过数值模拟计算,研究了CARDC600mm脉冲燃烧风洞的流场,并与试验结果做了对比,确定了试验模型在风洞中的合理安装位置,分析了带舵面飞行器在进气道打开、发动机不工作情况下的气动性能,对比研究了试验模型部分处于风洞流场非均匀区时,风洞结果对模型气动性能产生的影响,对比了数值计算结果和风洞试验结果。结果为利用风洞试验结果准确分析飞行器气动性能提供了重要依据。     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。