带鸭翼的弹性高超声速飞行器非线性控制

高超声速飞行器纵向静不稳定、非最小相位和突出的弹性效应等特性给飞行器控制系统设计带来严峻挑战。针对该问题,文中采取鸭翼作为附加俯仰控制舵面与升降舵进行联动控制的策略,以改善高超声速飞行器的非最小相位特性和严重的弹性效应,从而达到提高控制性能的目的。首先,给出了考虑弹性模态的高超声速飞行器动力学模型;其次,研究了鸭翼对飞行器非最小相位特性以及弹性模态响应的影响,并给出合适的鸭翼布局位置和鸭翼/升降舵联动增益参数;最后,采用基于反馈线性化方法和LQR理论的非线性控制器对弹性飞行器进行控制,对比分析了鸭翼联动控制对闭环控制性能的改善作用。研究结果表明,合理的鸭翼配置可以缓解系统的非最小相位特性带来的不利影响,同时避免了控制输入对特定弹性模态的激励,从而达到提高弹性高超声速飞行器控制性能的目的。     

高超声速飞行器BTT非线性控制器设计与仿真

高超声速飞行器的气动特性比一般的飞行器更为复杂,选用BTT(Bank-to-Turn)技术,即倾斜转弯技术可以满足其对于气动外形的要求,但随之给动力学系统带来了快时变、严重非线性及强烈耦合的特点.针对高超声速飞行器倾斜转弯非线性控制器的这一特点,采用了一种更为有效的非线性系统的控制方法,即非线性动态逆技术.首先建立了高超声速飞行器的非线性数学模型,然后根据奇异摄动理论将动力学系统的受控状态变量分为快变量和慢变量2部分,应用非线性动态逆理论分别对快逆回路和慢逆回路进行设计,其中慢逆回路控制器的输出作为快逆回路控制器的输入指令,最后对于所设计的系统在高超声速下的倾斜转弯运动进行了仿真验证.仿真结果表明该控制系统可以实现倾斜转弯,并可以满足高超声速飞行器稳定飞行的要求.      

基于代理模型的高超声速飞行器协同优化设计

建立了类X-51A高超声速飞行器的多学科模型,包括外形、气动、推进、质量、热流、弹道等学科.采用多学科设计优化(MDO, Multidisciplinary Design Optimization)方法中的协同优化(CO, Collaborative Optimization)进行了计算,计算流程中构建了两个子系统优化器与弹道学科的代理模型,使用代理模型替代了计算耗时的真实模型.同时为了对比,采用了多学科可行法(MDF, Multidisciplinary Feasible Method)进行了优化计算.结果表明,二者的优化结果基本一致,优化之后的飞行器质量比初始构型飞行器降低了15.2%,航程提升了63.5%,并且使用代理模型后计算效率也得到了很大的提升.验证了基于代理模型的协同优化方法应用于高超声速飞行器设计中的有效性.     

导弹质量矩控制技术建模与静态性能分析

导弹为获得高超声速和高机动能力，必然在操纵、控制方面付出一定代价。针对所面临的困难，提出了质量矩控制方案。在分析了本方案优点的基础上，建立了质量矩控制导弹的动力学模型，包括质心动力学和绕质心的动力学方程。最后对质量矩控制模型进行数字仿真，对给出的滑块运动规律得出了三通道控制的多种响应曲线。尽管相对实际情况进行了一定简化，但是从静态控制模型获得的性能指标，已经能够证实本方案的可行性。     

几何代数及其在飞行力学中的应用

介绍了几何代数的基本知识,比较了几何代数与矢量代数、四元数的区别和联系,并推导了它们在表示旋转时的互相转换关系,展示了几何代数在描述空间旋转变换时的便利.最后通过相对姿态运动的分析,展示了几何代数在飞行力学中应用的可行性.     

线性伪谱模型预测能量最优姿态机动控制方法

针对大气层外飞行器大角度姿态机动控制问题,提出了一种能量最优的线性伪谱模型预测大角度姿态机动控制方法。首先,通过离线弹道规划获得满足初始、终端约束且能量最优的姿态机动控制轨迹;然后,以离线弹道为基准对姿态动力学方程进行小扰动线性化处理,获得以状态偏差为自变量的线性误差传播方程;最后,以能量最优作为性能指标,通过高斯伪谱法对原问题进行离散,推导获得满足终端偏差修正的控制解析表达式。数值计算和蒙特卡罗仿真表明,该方法不仅计算精度高、求解速度快,满足实时计算要求,而且具有较强的鲁棒性,能够实时消除各种干扰。此外,在同等控制精度条件下,该方法相对传统线性二次型调节器（LQR）跟踪方法,能量消耗减小10%。      

高阶线性比例制导系统脱靶量幂级数解

脱靶量是导弹制导系统设计和评估的重要指标,对于一阶环节线性比例制导系统,可以得到脱靶量的解析解,而对于更接近实际的高阶制导系统一般得不到解析解,通常由直接仿真或伴随仿真获得;研究了高阶线性比例制导系统脱靶量的幂级数解,为脱靶量的解算提供一种新的手段。首先,构造伴随系统,假设伴随系统的解为幂级数与指数函数乘积的形式;然后,利用幂级数法给出了脱靶量的幂级数解的系数递推关系;进一步严格证明了脱靶量幂级数解的收敛性;最后针对一阶环节和高阶二项式环节等特殊制导系统,通过选取适当的指数衰减参数,得到了幂级数解系数简化的递推关系,并且一阶环节制导系统的幂级数解和解析解是一致的。在计算脱靶量时,实际用到的是脱靶量幂级数部分和,而部分和项数的确定依赖于指数衰减参数。因此,还分析了指数衰减参数对幂级数解部分和的收敛速度的影响,并给出了指数衰减参数与部分和项数的选取方法,为幂级数解的应用奠定了基础。     

防空作战动静态武器目标分配初步研究

防空作战中的武器目标分配是影响系统作战有效性的重要因素之一。动静态结合的武器目标分配,既考虑了武器对不同目标杀伤效果,又考虑了作战这一动态随机过程的特性。讨论了在合理简化条件下的分配过程,先把对目标群的射击效能作为目标函数制定决策,可将目标分配决策化成一个马尔可夫决策过程,通过策略迭代算法得到最优分配策略从而实现系统效益的最大化。最后进行了简化条件下的算例验证,结果表明,该方法能使武器系统获得最大的射击效能,是一种有效的分配方法。