高超声速飞行器多段弹道协作优化

利用协作优化方法求解了高超声速飞行器多段弹道整体性能最优问题.将高超声速飞行器在垂直平面的弹道分成多段,对引入段、滑行段、下降段进行了优化设计,期望引入段终端时刻速度最大、滑行段距离最远、下降段时间最短.把3段弹道当成3个学科,以攻角和各段的初始状态作为输入,以末端状态作为输出.开发了并行协作优化设计软件coplatform,并求解多段弹道的整体最优解.其计算结果与all in one方法和全局敏度GSE(Global Sensitivity Equations)方法求得的结果一致,也验证了协作优化方法的有效性.      

高超声速飞行器抗饱和鲁棒自适应切换控制

针对高超声速飞行器执行机构饱和的控制器设计问题,提出一种多回路抗饱和鲁棒自适应切换控制方法. 首先针对高超声速飞行器的运动模态在频率上表现出显著的分离特性,将状态变量分开不同的回路设计;然后对受执行机构饱和影响明显的状态设计参考切换系统,从而降低模型和控制器参数设计的复杂性,将一系列可能导致执行机构饱和的事件视作切换信号,选定参考切换模型及鲁棒自适应控制器,保证控制输入不达到饱和状态,并通过多李亚普诺夫函数方法和线性矩阵不等式分析了控制器的稳定性. 仿真结果表明了控制方案的有效性,在存在执行机构失效故障和干扰的情况下,系统状态可良好的跟踪参考状态且控制输入小于执行机构限幅.     

高超声速滑翔飞行器的分散鲁棒姿态控制

根据高超声速滑翔飞行器的任务和特点,并考虑一阶执行器动态,建立了面向控制系统设计的飞行器姿态模型.针对模型的结构,结合分散控制和滑模变结构控制的思想设计了再入飞行段的分散鲁棒姿态控制器:采用Tornambe控制方法进行了分散鲁棒滑模面的设计,使得系统能够克服耦合及非匹配不确定性的影响实现性能优良的滑模运动;采用改进的时间次优控制方法实现了二阶滑模变结构控制律的设计,通过在线估计等效控制削弱了抖振.为验证控制器的设计,在Simulink中以某概念高超声速滑翔飞行器为对象,进行了分散鲁棒姿态控制系统和制导系统的联合仿真,仿真结果表明在存在大不确定性的情况下,可以实现对制导指令的鲁棒稳定跟踪.     

高超声速飞行器惯性/天文鲁棒组合导航方法

对于高超声速飞行而言,惯性/天文组合导航的应用将会面临异常值干扰和噪声特性变化等问题,需要控制天文量测中异常值扰动的影响,提高对于可靠量测信息的利用效率。为此,本文研究了一种基于平衡因子的组合导航方法,采用鲁棒滤波方法进行惯性/天文组合导航系统的量测更新,将自适应滤波技术引入到鲁棒滤波中,考虑到天文量测信息不同的噪声特性和水平,将自适应因子分解为姿态自适应因子和位置自适应因子,从而平衡状态预测信息和天文测量信息的贡献。仿真结果表明,本文方法可以显著提高高动态环境影响下的组合导航性能。     

高超声速飞行器纵向系统鲁棒协调控制器设计

飞行器在高超声速阶段,强非线性耦合与不确定性问题给飞行控制系统的设计带来了巨大的挑战。为了研究高超声速飞行器纵向控制系统中的间耦合关系,基于高超声速纵向非线性模型,对其状态变量组与输入变量组进行了耦合采样分析。同时考虑到系统的不确定性提出了一种分层鲁棒协调控制策略。对高超声速纵向的高度和速度子系统设计鲁棒与耦合补偿控制器,对姿态子系统设计鲁棒与耦合转换控制器。利用Lyapunov稳定性理论来分析整个闭环系统的稳定性。仿真表明该控制方法可以有效的应对纵向系统间的强耦合问题。     

基于动态逆的高超声速飞行器鲁棒自适应控制

针对高超声速飞行器运动学模型具有高度非线性、多变量耦合及参数不确定等特点,提出了一种基于非线性动态逆的控制系统鲁棒自适应控制器设计方法.该方法将飞行器的运动方程分成速度子系统和高度子系统,利用控制输入的功能分配,并结合虚拟控制指令设计与非线性动态逆技术,实现速度和高度的稳定跟踪.为消除系统中模型不确定性和外界干扰的影响,采用鲁棒自适应滑模控制策略进行补偿.仿真结果表明:所提出的控制器设计方法不仅满足飞行器速度与高度跟踪性能的要求,且对模型不确定性和外干扰具有一定的鲁棒性.      

高超声速滑翔飞行器地形匹配辅助导航方法研究

高超声速滑翔飞行器滑翔飞行高度在30 km以上,大气极其稀薄,传统采用气压高度计的地形匹配辅助导航方式将无法正常工作。为实现高精度地形匹配,在分析匹配算法对地形常值误差不敏感的基础上,详细论证了基于惯性系统解算绝对高度方案,并对比分析了将短时滑翔段弹道简化为等高飞行方案。在捷联惯性导航系统（SINS）误差模型基础上,结合高度通道方块图,通过拉普拉斯变换,建立了惯性系统高度通道短时稳定性解析模型,并以CAV-H为研究对象建立数值仿真环境。仿真结果表明,解析模型精度较高,基于SINS解算绝对高度能够满足地形匹配辅助导航系统精度要求,优于气压高度计正常工作时的精度。      

高超声速飞行器异步切换的鲁棒H∞控制

针对高超声速飞行器子系统与控制器异步切换问题,提出了一种鲁棒H_∞控制策略.构造了依赖于控制器切换信号的Lyapunov函数,可以有效抵消由异步切换带来的控制器设计困难,结合平均驻留时间方法和Lyapunov函数方法,分析了系统的全局一致渐近稳定性和H_∞性能指标,设计了异步切换的鲁棒H_∞控制器.仿真结果表明,该方法实现高超声速飞行器在异步切换过程中对指令的精确跟踪,控制量在异步切换时刻无跳跃现象,同时对扰动具有较强的抑制作用.     

高超声速飞行器滑行航迹优化

针对高超声速飞行器滑行的密度模型、动力学模型、空气动力模型和作为输入的攻角,将弹道问题转化为最优控制问题,采用极大值原理求得航程最大的一阶必要条件,采用多次变区间的遗传算法、非线性单纯形法和邻近极值法的组合优化策略来求解此两点边值问题,首先用多次变区间的遗传算法和单纯形方法求得全局航程最大,然后用邻近极值法得到合适的初值满足所有终端约束,通过对一高超声速飞行器的算例进行了优化计算,得到了最优弹道和优化算法的收敛曲线,并与升阻比最大飞行方案进行比较可知,最优控制方案求得的航程大于升阻比最大飞行方案的航程.      

高超声速巡航飞行器在线自适应反馈控制设计

由于飞行器模型的强非线性,各种建模不确定性以及飞行环境的复杂性,高超声速飞行器控制成为一个研究难点.针对某类具有参数不确定性的非线性系统,提出了一种反馈线性化与自适应估计相结合的方法,对非线性系统的输入输出动态应用反馈线性化处理以得到拟线性模型,并设计反馈控制律;对不确定参数采用自适应在线估计,利用Lyapunov方法分析稳定性;针对选择不同输出的情况,对如何消除内动态进行了讨论.为了验证该方法的可行性,将其应用于某高超声速飞行器巡航段纵向非线性模型,对速度和高度通道进行跟踪控制仿真,由于飞行器和大气环境存在建模不确定性,利用自适应控制对不确定参数进行在线估计.仿真结果显示该方法能够快速收敛,并且具有良好的在线自适应能力.     

基于智能图搜索的滑翔式高超声速飞行器路径规划方法

研究了高超声速飞行器在线路径规划问题。首先建立滑翔式高超声速再入飞行器动力学模型,在此基础上综合考虑高超声速飞行器在飞行过程中的动压约束、热流约束、过载约束等,对动力学模型进行解析计算,分析再入走廊,并进一步分析形成滑翔式高超声速飞行器的覆盖区域。基于飞行器覆盖区域并结合工程应用需求,提出速度分段的高超声速飞行器可达区域计算方法,确定在不同终端速度约束下的高超声速飞行器可抵达区域。并以此为基础,以各个速度分段的终端速度为节点,提出基于启发式路径搜索算法的分段路径规划方法,通过变步长图搜索算法可在飞行过程中在线确定各个速度分段区间的终点,完成分段路径搜索规划。最后通过数值仿真验证了所提出路径规划方法的有效性,结果表明,所提出的方法计算效率高,能够有效规划高超声速飞行器的机动飞行轨迹,具有一定的工程应用前景。     

混合不确定系统鲁棒稳定性检验的数值方法

混合不确定系统的鲁棒稳定性问题可以转化为一有理函数簇边界的H_∞范数检验问题.为了减小计算复杂性,对一类线性部分仿射取决于变化参数的混合不确定系统,探讨了其数值求解方法.结果表明在固定的频率上边界对象的象是复平面上的一圆弧.对此文中获得了一个新的最大圆弧范数计算公式并诱导出一个可在有限频率范围内进行边界检验的算法.大大减小了计算量.     

高超声速飞行器热防护系统尺寸优化设计

以热防护系统厚度方向几何尺寸为设计变量,热防护结构质量为优化目标函数,以航天器主结构温度极值为约束条件建立了优化模型。采用外部调用NASTRAN进行非线性瞬态有限元热分析,应用复合形法作为优化工具进行全局寻优。针对该问题结构几何形状是变量的特点,采用文件接口的方法实现了设计变量与有限元模型的关联以及有限元分析结果与优化工具的数据交换。     

月球精确软着陆制导轨迹在轨鲁棒跟踪

为实现在月球表面期望的着陆点进行精确软着陆(PPL),在开环制导规划出的最优标称轨迹基础上,考虑动力下降过程中的干扰和不确定性,对在轨闭环轨迹跟踪制导方法进行研究.针对月球PPL三维球体非线性轨道动力学模型,充分考虑自主制导的鲁棒性、实时性要求,采用动态平面控制技术的思想,解决退步法存在的"计算复杂性膨胀"问题,并证明了闭环系统的稳定性.仿真算例表明,该方法不仅算法简单,过渡过程能够实现快速跟踪,而且能够保证稳态跟踪误差在预先给定的范围之内且可以自由调节.     

变比冲连续小推力轨迹优化方法综述

电推进是目前常用于深空探测任务的推进方式。电推进发动机的比冲是变化的,所以变比冲电推进模型更加符合工程实际,对于变比冲连续小推力轨迹优化方法的研究具有工程应用前景。常用的变比冲电推进简化模型有三种：比冲在区间内变化、比冲随距离变化和功率分档变化,它们都对应于真实发动机系统工作的原理和方式。关于此三种模型下的轨迹优化方法,常用的有直接法和间接法,但是由于存在方法的不足和模型的特殊性,会在直接法和间接法的基础上增加改进的策略。本文综述变比冲电推进的简化模型和适用于变比冲连续小推力轨迹优化设计的方法。     

航天器气动力辅助轨道转移轨迹优化问题研究

针对航天器共面及异面气动辅助轨道转移的轨迹优化问题,利用高斯拟谱法将原始连续两点边值问题离散化并转化为等价的非线性规划问题,应用SNOPT算法对此非线性规划问题进行求解．同时分析了对应于不同变轨角度时大气内飞行轨迹、飞行速度以及热流峰值的变化规律．     

有限推力轨迹优化问题的直接打靶法研究

研究了求解有限推力轨迹优化问题的直接打靶方法。说明了利用直接打靶法将最优轨迹问题转化为参数优化问题的基本转换方法 ;给出了状态和控制变量的等式 (或不等式 )约束的转化方法 ;从插值和数值积分两个方面对转换过程中产生的误差进行了深入分析。最后 ,以最优交会问题为例 ,说明了不同节点数目和积分步数对计算结果的影响     

载人航天器深空飞行返回再入轨迹优化

分析了载人航天器深空飞行返回再入的飞行特点,指出其轨迹优化研究的必要性;给出了基于遗传算法的轨迹优化方法;利用自主编制的仿真软件程序,采用与Apollo和Soyuz飞船类似的返回舱的参数进行了仿真。仿真结果表明,优化后加速度过载峰值被严格控制在满足载人飞行要求的范围内,同时其他过程载荷峰值也在满足约束的前提下明显降低,总吸热量和再入航程也大幅缩减,优化后再入轨迹满足工程实施的初步要求。