分导飞行器试验运载火箭分导策略研究

分导策略即研究一发火箭发射多个分别沿不同轨道瞄准不同目标或同一目标飞行器的方法,首先分析弹道特点,然后分别对纵向距离分导、横向距离分导、纵横向距离同时分导、对同一落点的分时分导、两次以上的分导等5种不同分导策略,利用卫星轨道力学理论逐一开展分析并推导速度增量的计算方法,最后给出基于速度增量在参考坐标系上的偏导数投影得出最优的分导策略控制方法。     

航天飞行器交会对接段的姿态控制四元数法

本文研究利用四元数作为误差信号进行航天飞行器姿态控制的控制规律,应用Pontrgagin极小原理导出了喷咀最优控制开关曲线,所得结果不仅可用于交会对接段也适用于航天飞行器上升段和返回段的姿态控制。     

飞行器控制的伪线性系统方法——第一部分：综述与问题

首先将非线性控制方法归纳成三类：基于李雅普诺夫泛函的设计方法、基于最优控制思想的设计方法和以线性为主导的设计方法，并对此三类方法进行了简略的综述。然后进一步在此类划分的框架下概述了飞行器控制的非线性方法，并引入了伪线性系统的概念。最后介绍了卫星姿态与轨道控制、飞行器制导与控制中的六类典型飞行器控制问题的二阶伪线性系统描述。     

多约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化

研究了考虑航路点、禁飞区、热流、动压、过载、控制量以及终端状态等多种约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计问题。分析了采用一般Gauss伪谱方法进行高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计存在的主要问题,为此,提出了轨迹分段优化策略,将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题,进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化,将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题进行求解。以多约束条件下最大射程轨迹优化为例进行仿真分析,结果表明分段优化方法能够较快地设计出满足各种约束条件的优化轨迹。     

登月飞行器软着陆的非线性最优控制

主要考虑登月飞行器软着陆控制的问题。制导律和控制器的设计分两步完成。首先，利用一个微分同胚变换和一个非线性输入补偿，可以将登月飞行器的非线性动态模型转换成一个线性系统。然后利用经典最优控制理论中的由拉方程，标准最优制导律的解析解既可给出。第二步，利用日。控制理论，我们设计了一个最优反馈控制器保证了实际系统可以鲁棒渐进追踪最优标准轨道。最后通过仿真，可以看出飞行器实现了软着陆控制，着月速度小于给定值，说明方法的可行性和有效性。     

基于最优控制解析解的直接入轨自适应制导律

研究了直接入轨飞行器基于最优控制解析解的显式制导问题。在入轨速度最大指标约束下,推导出了一种直接入轨飞行器基于最优控制理论的显式解析制导律,并对该制导方法进行了仿真验证。仿真结果表明,所得制导方法具有较高的制导精度和较强的自适应性和鲁棒性,同时该制导方法计算简单、计算实时性强,具有较好的工程应用价值。     

升力式再入飞行器两种可达区域计算方法的探讨

对2种计算升力式再入飞行器可达区域的方法进行了分析和探讨。首先建立了飞行器三自由度运动方程模型和升力式飞行器基于准平衡假设下的简化模型;然后基于最优控制方法,考虑过程约束和终端约束推导了闭环倾侧角控制律,采用双参数搜索法求取不同纵程下的最大横程;最后,以一种升力式飞行器为例分别用优化方法和常值倾侧角法进行仿真分析,结果表明常值倾侧角法可以代替优化方法进行分析与设计。     

高超声速飞行器操纵性/控制律一体化设计方法

高超声速飞行器主要飞行阶段包括助推分离段、巡航段和下降段,在分离段操纵面的任务是快速抑制分离扰动,而巡航段主要用于高精度姿态控制。针对分离段和巡航段对舵面操纵性要求差别较大的特点,本文探讨从满足控制要求的角度对操纵面尺寸进行优化设计的方法,即操纵性/控制律一体化设计。采用最优控制方法对飞行器自动驾驶仪增益进行优化,并基于多目标遗传算法的并行子空间优化方法,得到了高超声速飞行器最优舵面外形尺寸和相应的控制律。仿真结果表明,最优舵面在分离段能够快速抑制分离扰动对飞行器姿态的影响,并将飞行器姿态迅速调整到发动机点火窗口;在巡航段能够快速抑制阵风干扰对飞行器姿态的影响,稳定飞行器姿态,为高超声速飞行器操纵性设计提供了依据。     

分导飞行器多模型自适应控制方法研究

基于单位四元数描述和一种偏差动态线性化方法,得到了刚体飞行器的一种间接式多模型自适应控制律,解决了转动惯量不确定且可能发生突变的分导飞行器的姿态跟踪问题。该控制策略可以有效地检测出转动惯量的突变,然后切换到当前最合适的控制器进行控制。理论分析证明采用该控制策略闭环系统全局渐近稳定,数值仿真表明该方案具有比单模型自适应控制更好的暂态跟踪性能。
     

最优控制在变质心再入飞行器滚动稳定中的应用

对带有差动副翼的变质心机动再入飞行器滚动稳定控制进行了研究。活动质量体在跟踪指令的过程中会对滚动通道产生干扰作用;同时飞行器本身结构的不对称会产生气动烧蚀,对滚动通道也会产生干扰作用。为了抑制这两干扰因素对滚动通道的影响,同时满足滚动稳定快速性要求,采用Bang-Bang控制理论设计鲁棒性强的副翼偏角控制律,双积分系统的时间性能指标用来确定滑模面,同时提出构造双切换函数以及在原点领域内切换为连续稳定的最优控制律来解决开关振颤问题。通过非线性六自由度仿真,结果表明所设计的控制律能有效地抑制内部和外部的干扰作用,即使在干扰作用变化大的情况下仍能使系统具有较强的鲁棒性。
     

残骸落区对火箭构型影响论证

残骸落区的选择是在运载火箭构型设计时必须首要考虑的设计因素,其设计结果直接关系到落区内人民生命财产安全,因此残骸落区必须避开人口稠密、重要设施区域。然而运载火箭残骸的被动段轨迹与上升段轨道设计直接相关,过近或过远的落区都将影响火箭上升段轨道的设计结果,进而影响运载火箭的运载能力。本文以典型二级火箭论证为例,开展了基于落区约束火箭构型的总体方案优化,运载能力变化充分说明残骸落区对火箭构型论证的影响,为后续构型论证工作的高效开展夯实了基础。     

最优鲁棒控制在飞行器设计中的应用

本文根据线性最优调节器加权阵与闭环系统极点的关系,提出了一种综合最优系统设计法,使系统同时具有良好的动特性和较强的鲁棒性。文中应用这种方法对某型飞行器控制系统进行了设计,使飞行器性能指标得到了显著提高。     

面向飞行器控制的切换系统分析与综合

面向飞行器控制的切换系统分析与综合是近年来飞行器控制领域的研究热点。从切换系统在飞行器控制领域的优越性出发,首先对线性切换系统的分析与综合给予简单综述,在此基础上分析了切换系统在飞行器控制领域的应用,而后展开论述面向飞行器控制的线性切换系统建模、分析与控制综合方法,重点介绍局部重叠切换系统、稳定性分析和基于切换系统的综合方法等内容。最后,提出面向飞行器控制的切换系统研究的发展趋势。     

运载火箭控制系统漏电故障诊断研究

从系统的角度分析了运载火箭控制系统漏电故障诊断的特殊性，指出故障也是系统要素之间的一种联系方式。为了准确、有效地描述系统状态条件同其故障关系问所存在的关联，提出了条件故障图的描述模型，界定并分析了描述系统状态关系的状态树，并将它与故障图相结合形成条件故障图，用于对故障关系的自动化描述及分析。在此基础上，引入蚁群算法来确定故障树的最优检测次序，并指导系统多故障状态的决策。将它们应用于运载火箭的控制系统，给出了一个特征实例。条件故障图可以有效地描述状态条件对故障关系的影响及作用，蚁群算法能够实时地、自适应地进行动态路径选择。获得了令人满意的效果。     

变质量飞行器变轨中摇摆发动机指向跟踪问题研究

针对携带大推力摇摆式轨控发动机的变质量飞行器,研究了其推力方向跟踪质心位置变化同时指向惯性空间推进方向的问题。研究中将飞行器分为可摇摆的发动机和变质量的平台两部分,利用雷诺迁移定理和变质量力学原理建立了整个变质量系统的数学模型;在控制系统设计中,通过一组线性转换,将系统转换为摄动双积分系统,以时间最优为性能指标,利用相平面法构造开关控制律。仿真结果表明,变质量飞行器利用该控制律能够实现摇摆发动机在惯性空间中跟踪质心位置变化的同时与推进方向保持一致。     

再入航天器轨迹机动控制研究

为了有效控制再人航天器的轨迹机动运动，提出了一个新的轨迹控制方法，首先建立了轨迹复合控制系统的数学模型，其次针对航天器轨迹控制系统的不确定性，基于变结构控制理论设计了轨迹机动控制律，在分析气动操纵面和侧向推力器输出特性的基础上，设计了推力器的控制方法，以获得与控制律输出量相同的控制效果，最后设计了气动力与侧向推力的复合控制规律。仿真结果表明，该控制方法能够有效地实现再入航天器的精确轨迹机动，且具有较强的鲁棒稳定性。     

变结构自适应控制理论在运载火箭姿控系统设计中的应用

针对大型运载火箭姿态控制系统设计的一些具体问题，如弹性振动的抑制、外部干扰的补偿等，探讨了变结构自适应理论在运载火箭姿态控制系统设计中的应用方法及其可行性。对于变结构理论的应用方法，提出了不确定性边界的自适应估值算法和基于简化模型的变结构自适应控制器设计。对设计的姿态控制系统进行了仿真，并与采用古典理论设计的姿态控制系统性能进行了比较。结果表明采用变结构自适应控制理论设计运载火箭控制系统是可行的，与古典方法相比变结构自适应方法设计的姿态控制系统具有较强的鲁棒性和较高的精确度，特别是采用不确定边界自适应估算方法可以大大提高系统的稳定性。     

基于Gauss伪谱法的助推-滑翔飞行器多阶段约束轨迹优化(英文)

在同时存在路径约束和边界条件时确定助推-滑翔飞行器的最优运动轨迹是近年来的热点问题。本文讨论了助推-滑翔飞行器的具有最大纵向航程和横向航程的两种最优轨迹。Gauss伪谱法是由Benson和Huntington提出的,在求解复杂的最优控制问题时有较快的收敛速度并能提供高精度的解。文中介绍了该方法并利用其将轨迹优化问题变换为可由NLP求解器进行数值求解的非线性规划问题。文中还介绍了其它相关的技术,例如端点控制的计算方法、处理包含奇异弧段的多阶段问题的处理方法、获得初始猜测值的方法和验证结果的方法等。仿真结果可以说明在给定的热流、过载和动压约束下最优轨迹的若干关键特性。通过优化和仿真计算,同时证明了此方法的实用性和有效性。     

可重复使用航天器基于状态估计的再入飞行滑模控制器设计研究

给出了一种可重复使用航天器再入飞行鲁棒控制方法。在给定可用制导指令和干扰、不确定性的上界条件下，综合利用快慢双回路连续滑模控制方法，生成包括气动舵面和反推力控制系统（RCS）发动机的控制指令，得到了在建模误差和外界干扰存在的情况下拥有高精度、鲁棒性和解耦特性的气动角和姿态角速率跟踪结果。滑模控制抖振抑制逻辑利用李亚普诺夫方法，构筑滑模干扰观测器，并依据自适应增益调节思想，有效消除了控制抖振，保证了工程实际应用的能力。以某型可重复使用航天器为例，在考虑到模型不确定性、风扰以及测量噪声的情况下．通过不同的控制律设计结果对比表明，该方法高效、可靠。     

姿控载荷多约束下的内外弹道联合优化

为提升固体运载器整体性能,提出一种姿控载荷多约束的内外弹道联合优化建模方法。首先,建立固体运载器内弹道计算模型和外弹道计算模型,给出大风区和级间分离的姿态控制模型以及杆状减阻装置载荷计算模型。其次,以灵敏度分析方法选择出内外弹道设计参数作为优化设计变量,将姿控摆角需求、减阻杆承载能力作为约束条件,建立以射程最优为目标的优化模型。最后,将该方法应用在某三级固体运载器的优化设计中,以差分进化算法开展仿真校验,射程提高了10.8%,并且优化结果满足姿控和载荷约束。