小型固体运载火箭六自由度弹道仿真

针对控制系统采用侧喷流发动机和栅格舵的新型小型多级固体运载火箭开展六自由度弹道仿真研究。给出侧喷流发动机安装模型和推力模型以及开关机控制规律,阐明气动力和气动力矩计算方法;并建立了固体发动机推力模型,以及完整的六自由度弹道动力学和运动学模型。仿真结果表明:建立的六自由度弹道仿真模型能正确反映运载火箭飞行特性;研究的固体运载火箭满足将300kg有效载荷送入200km太阳同步轨道的运载能力要求;姿态控制系统满足运载火箭姿态控制精度要求;侧喷流推进剂质量分配合理,为总体方案论证和初步设计提供了理论依据。     

Missile autopilot design using quasi-LPV polynomial eigenstructure assignment

This paper presents the design of a missile autopilot over its flight envelop using quasi-linear parameter-varying polynomial eigenstructure assignment (PEA). The paper describes the extension of PEA to parameter-varying systems using a nonlinear missile model developed by Horton as an example. The autopilot is designed for a single-plane lateral acceleration control and a 5 degree of freedom (DOF) autopilot is also designed. Both lateral acceleration and augmented lateral acceleration outputs are considered. The lateral acceleration autopilot has nonminimum phase characteristics, and it is shown that the quasi-linear parameter-varying PEA approach can handle nonminimum phase systems unlike classic dynamic inversion techniques. Simulation results are presented over fast variations in Mach number and show that the design is robust.     

固体运载器发动机内弹道设计方法

为研究对固体运载器总体性能提升有利的发动机内弹道设计方法,建立了发动机内弹道计算模型,并选取两个燃面设计参数表征内弹道曲线构型。针对某三级固体运载器进行了仿真分析,分别以发动机冲质比最大及运载器射程最大为目标对发动机的内弹道曲线构型进行优化设计,并对这两种设计方法进行对比研究。研究结果表明,发动机性能最优并不一定会实现运载器总体性能最优,以运载器射程最大为目标,对发动机内弹道曲线构型进行优化设计,可显著提高运载器总体性能。研究成果可应用于固体运载器总体方案初步论证阶段,提升固体运载器的性能水平及方案论证效率,使固体运载器总体设计方案更具时效性和竞争性。     

摆动喷管控制导弹回路成形自动驾驶仪设计

针对摆动喷管控制防空导弹存在的伺服气动弹性问题,利用鲁棒回路成形方法在导弹的纵向通道设计了自动驾驶仪。首先,建立了考虑一阶弹性振动影响的纵向小扰动线性化模型;然后考虑到控制系统设计中存在的导弹自身以及外界干扰等不确定因素的影响,采用回路成形的方法,根据系统性能指标的要求,选取了系统期望回路成形函数,构造了防空导弹纵向自动驾驶仪回路成形设计框架,给出了鲁棒回路成形控制增益K∞;最后,对其进行了数字仿真。仿真结果表明,所设计的系统具有良好的鲁棒稳定性和鲁棒性能。     

基于 CER的运载火箭研制费用估算

运载火箭研制费用估算是费用管理中的一个重要环节。正确估算研制费用对于方案选优、加强研制过程中的费用管理以及估算整个寿命周期的费用等都具有十分重要的意义。参考美国国家宇航局（ NASA ）的费用估算关系（ CER ）模型,提出了基于运载能力、起飞质量、外形尺寸等参数的参数-费用估算模型。鉴于我国运载火箭样本少的实际情况,采用偏最小二乘法（ PLS）对该模型进行了实证检验,估计值与真实值之间的偏差较小,估计效果比较理想。为下一步运载火箭研制方案筛选和费用管理提供了依据。     

风洞虚拟飞行试验模拟方法研究

风洞虚拟飞行试验是把飞行器模型安装在风洞中具有三个转动自由度的专用支撑装置上,让三个角位移可以自由转动或者按照飞行器的飞行要求实时操纵控制舵面,来实现较为逼真的模拟飞行器真实机动运动过程,进而达到探索其气动／运动耦合机理的目的。发展风洞虚拟飞行试验,其模拟方法是必须要解决的核心理论问题。针对某典型导弹,开展了铅垂平面内三自由度俯仰运动的开环控制和闭环控制飞行仿真模拟,分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的主要差异及其影响,研究了风洞虚拟飞行试验的模拟方法。结果表明：对铅垂平面内的三自由度俯仰运动,采用俯仰角速度反馈的经典三回路自动驾驶仪闭环控制方式,风洞虚拟飞行试验能够较为逼真地模拟真实飞行过程。     

考虑控制系统故障的重复使用运载器轨迹优化

传统的重复使用运载器的制导系统与控制系统的设计是分开进行的。当运载器出现故障时,需要进行轨迹和控制的重构,故障下气动特性和配平能力的变化使得重构后的制导系统与控制系统难以良好匹配。考虑到控制系统对轨迹设计和优化的影响,通过将三自由度轨迹优化与多舵面控制分配结合,提出一种考虑控制舵面气动力和故障的重复使用运载器轨迹优化方法。仿真结果表明,多舵面控制分配算法可以将运载器故障下的配平能力转化为轨迹优化的约束条件,从而避免了传统三自由度轨迹优化方法结果无法被控制系统跟踪的可能性,并为制导与控制一体化设计提供参考依据。     

电传飞机纵向自动驾驶仪控制律设计

在电传飞机纵向自动驾驶仪控制律的初步设计过程中，以电传飞机的纵向低阶等效系统为控制对象，采用零极点偶配置方法合理地配置零极点偶，使纵向自动驾驶仪控制律的设计得到了最大程度的简化，用所获得的控制律进行了数字仿真，仿真结果表明，纵向自动驾驶仪各个功能模式获得了良好的动态响应特性，满足了各项指标的要求，从而证明了这种设计方法是简便可行的。     

RCS对舵面控制特性影响的数值模拟

可重复使用运载器等采用反作用控制系统（RCS）/舵面复合控制技术进行配平和控制,由于舵面和喷口的位置相距很近,同时工作时将产生相互干扰效应。采用非定常数值模拟方法,结合动网格技术和喷流模拟技术,针对可重复使用运载器外形开展了侧向喷流开启和关闭对舵面控制特性的影响研究,分析了飞行器俯仰运动对不同舵面操纵方式的动态响应过程。研究发现,在超声速来流条件下,侧向喷口前方的弓形激波会打到方向升降舵的下表面产生一个局部高压区,使得飞行器产生附加的低头力矩,导致喷流开启时的配平攻角相对关闭时要低约1°。同时,侧向喷流与襟副翼之间存在非定常、非线性干扰现象,在RCS/舵面复合控制系统设计时,需要对此进行一定的补偿。     

ROBUST ADAPTIVE BANK-TO-TURN MISSILE AUTOPILOT DESIGN USING FUZZY CMAC NEURAL NETWORKS

ＲＯＢＵＳＴＡＤＡＰＴＩＶＥＢＡＮＫ┐ＴＯ┐ＴＵＲＮＭＩＳＳＩＬＥＡＵＴＯＰＩＬＯＴＤＥＳＩＧＮＵＳＩＮＧＦＵＺＺＹＣＭＡＣＮＥＵＲＡＬＮＥＴＷＯＲＫＳＺｈａｎｇＹｏｕａｎ（张友安）,ＣｕｉＰｉｎｇｙｕａｎ（崔平远）,ＷａｎｇＳｈｏｕｂｉｎｇ（王守斌...     

内置式空中发射运载火箭发射方向研究

对运载器与载机分离过程的几个阶段采用统一模型进行研究,建立了分离过程物伞系统的刚体-质点模型。以此数学模型为基础,对空中发射的分离过程用Matlab/Simulink进行了仿真计算。结果表明,前向发射在分离过程结束时运载器的高度损失和速度损失比后向发射小,性能优于后向发射,对实际工程应用具有重要参考价值。     

小型固定翼无人机零长发射参数安全边界研究

针对小型螺旋桨无人机零长发射仿真需求,建立了完善的发射仿真数学模型。助推火箭安装角关系到无人机发射安全,是无人机推力线吊挂工作中最重要的调整参数。结合某型无人机,实例仿真了助推火箭推力线纵向、侧向偏离重心等各种工况的发射过程,确定了火箭安装角偏移量安全边界,可作为实际推力线吊挂工作的依据。     

基于时滞不确定理论的导弹鲁棒控制系统设计

针对含有参数不确定性、干扰和响应延迟的控制系统鲁棒性设计问题,采用状态反馈控制方法设计控制系统,使得闭环控制系统在保证渐进稳定的同时满足H∞性能指标要求.建立导弹控制系统的线性离散模型,将提出的基于时滞不确定理论的设计方法应用于导弹俯仰-偏航通道的自动驾驶仪设计.通过仿真计算,验证了提出的控制系统设计方法在气动参数摄动...     

Adaptive block dynamic surface control for integrated missile guidance and autopilot

A novel integrated guidance and autopilot design method is proposed for homing missiles based on the adaptive block dynamic surface control approach. The fully integrated guidance and autopilot model is established by combining the nonlinear missile dynamics with the nonlinear dynamics describing the pursuit situation of a missile and a target in the three-dimensional space. The integrated guidance and autopilot design problem is further converted to a state regulation problem of a time-varying nonlinear system with matched and unmatched uncertainties. A new and simple adaptive block dynamic surface control algorithm is proposed to address such a state regulation problem. The stability of the closed-loop system is proven based on the Lyapunov theory. The six degrees of freedom (6DOF) nonlinear numerical simulation results show that the proposed integrated guidance and autopilot algorithm can ensure the accuracy of target interception and the robust stability of the closed-loop system with respect to the uncertainties in the missile dynamics.     

Nonlinear hαMissile Longitudinal Autopilot Design with θ- D Method

In this paper, a new nonlinear H_infin control technique, called thetas-D H_infin method, is employed to design a missile longitudinal autopilot. The thetas-D H_infin design has the same structure as that of linear H_infin, except that the two Riccati equations that are part of the solution process are state dependent. The thetas-D technique yields suboptimal solutions to nonlinear optimal control problems in the sense that it provides an approximate solution to the Hamilton-Jacobi-Bellman (HJB) equation. It is also shown that this method can be used to provide an approximate closed-form solution to the state dependent Riccati equation (SDRE) and consequently reduce the on-line computations associated with the nonlinear H_infin implementation. A missile longitudinal autopilot design demonstrates the capabilities of thetas-D method. This new nonlinear H_infin design also shows favorable results as compared with the linear H design based on the linearized model.     

基频降低对火箭点火起飞动响应的影响分析

为了分析有效载荷基频降低对火箭发射时箭体的动响应的影响规律,将不同的有效载荷基频引入到运载火箭纵向有限元模型中,通过改变有效载荷基频,计算箭体在发射阶段受到冲击载荷时的瞬态动力学响应,并找出有效载荷以及星箭界面处随发动机推力变化的加速度、单元力等响应时程的变化规律.结果表明：有效载荷基频降低对发射时箭体的动响应有一定影响,有效载荷位置的加速度响应受到的影响较为明显,有一定程度地增加,其对星箭界面处载荷的影响则较小.     

Robust Hybrid Control for Ballistic Missile Longitudinal Autopilot

This paper investigates the boost phase’s longitudinal autopilot of a ballistic missile equipped with thrust vector control. The existing longitudinal autopilot employs time-invariant passive resistor-inductor-capacitor (RLC) network compensator as a control strategy, which does not take into account the time-varying missile dynamics. This may cause the closed-loop system instability in the presence of large disturbance and dynamics uncertainty. Therefore, the existing controller should be redesigned to achieve more stable vehicle response. In this paper, based on gain-scheduling adaptive control strategy, two different types of optimal controllers are proposed. The first controller is gain-scheduled optimal tuning-proportional-integral-derivative (PID) with actuator constraints, which supplies better response but requires a priori knowledge of the system dynamics. Moreover, the controller has oscillatory response in the presence of dynamic uncertainty. Taking this into account, gain-scheduled optimal linear quadratic (LQ) in conjunction with optimal tuning-compensator offers the greatest scope for controller improvement in the presence of dynamic uncertainty and large disturbance. The latter controller is tested through various scenarios for the validated nonlinear dynamic flight model of the real ballistic missile system with autopilot exposed to external disturbances.     

磁悬浮助推发射气动力分析及风洞试验

通过分析磁悬浮助推发射装置的空气动力特征, 提出了其气动外形设计的合理原则.分析了磁悬浮橇体和支撑分离机构的气动外形方案, 并确定了优化的气动外形设计参数值.考虑地面效应模拟的同时, 在FD-06风洞中进行了缩比模型试验.结果表明, 升阻力系数随着马赫数或运载器迎角的增大而增大, 装置有上仰的趋势, 迎角为0°时, 阻力系数较小, 各系数的变化也较小.      

基于神经网络的导弹稳定控制回路设计方法

基于径向基函数神经网络（RBFNN）的学习能力和逼近特性，将传统方法中的局部/整体构架蕴涵于神经网络内部，对导弹稳定控制律进行局部（定点）/整体（拟合）设计，以简化计算步骤，提高设计方法的通用性和自动化程度，以防空导弹侧向稳定控制回路设计为背景，对所提出的稳定控制回路设计方法进行了仿真，验证了该方法的可行性和有效性。