单滑块变质心再入飞行器分岔特性

基于非线性动力学模型,给出了单滑块变质心再入飞行器的平衡点及其稳定性随滑块偏移距离的变化规律,得到了系统分岔图,并在此基础上求解了典型条件下各吸引子的吸引域。结果表明滑块偏移距离对再入飞行器的平衡点数量及稳定性具有明显的影响,同时初始飞行条件对飞行器的最终收敛状态也具有重要的影响,不合适的初始条件有可能导致飞行器被锁定在不期望的平衡点或极限环中,从而引起失速或失控等问题。此外,通过分析不同系统参数下的分岔图变化规律,总结了再入飞行器结构及气动参数对系统分岔特性的影响,进而为系统参数的设计提供了参考。     

高超声速飞行器再入段的动力学建模与仿真

高超声速飞行器的动力学建模对于进行控制系统的设计和仿真来说是非常重要的.与传统的飞行器相比,由于其飞行的速度和高度跨度大、变化快,高超声速飞行器的飞行动力学特性相当复杂.为了研究高超声速飞行器的一些本质的动力学特性,选择再入段进行分析,建立了再入段的高超声速动力学模型.利用风洞实验数据,建立了空气动力学数据库,并且对模型进行了不确定性分析.在模型的基础上,讨论了高超声速飞行器再入段的控制系统的设计方法.最后,在MATLAB/SIMULNK中进行了控制系统仿真,仿真结果表明在60公里到着陆点控制系统能够很好地控制动力学模型跟踪制导指令.     

基于自适应Terminal滑模的空天飞行器再入控制

提出一种基于RBF神经网络的Terminal滑模控制方案,消除通常滑模控制的到达过程,保证跟踪误差在有限时间内趋于零。不需要对建模误差、模型摄动和外界干扰进行各种假设,通过在线调整RBF神经网络的权值来消除它们的影响。最后在高超声速条件下,对空天飞行器再入大气层姿态控制进行仿真,结果表明该方法的有效性。     

六自由度飞行器编队建模与控制

传统主从式编队常采用线性化反馈控制,很难满足复杂高精度空间飞行器编队要求。针对主从式飞行器相对平动和相对转动运动进行建模,进而得到统一的六自由度飞行器编从的非线性动力学模型。基于所得模型,设计了六自由度飞行器编队控制的滑模控制器和积分反推控制器,并给出基于Lyapunov的严格数学证明。仿真结果表明,控制器能够保证从飞行器六自由度运动跟踪误差的一致渐近收敛,为空间飞行器在轨服务等飞行器编队实际应用提供了理论参考。     

基于强跟踪滤波器的再入飞行器制导律设计

研究了气动模型存在误差情况下高超声速再入机动飞行器的制导律设计问题。首先用强跟踪滤波器对气动参数进行估计,然后根据估计值与标称值的偏差对攻角和倾斜角进行修正,最后对原始非线性方程沿着标称轨道线性化得到线性偏差方程,并利用线性二次型最优调节器原理设计控制律。仿真结果表明所设计的制导律可以大幅度减小由于气动模型误差而引起的落点偏差。     

空天飞行器再入过程姿态预测控制律设计

针对一类多输入多输出非线性系统,设计了一种基于SDRE(state-dependent Riccati equation)的预测控制方法,并应用于空天飞行器再入过程的姿态控制律设计。SDRE是一种有效的非线性系统优化控制设计方法,利用SDRE的局部渐进稳定的特点,与有限时间预测控制律设计相结合,提出的控制方案保证闭环系统的稳定性。最后利用所提出的控制方案设计了空天飞行器飞行控制系统,并在高超声速条件下进行了仿真验证。仿真结果表明了控制方案的有效性。     

空天飞机再入GNC一体化建模与仿真方法

集建模、制导控制律设计与数学仿真分析于一体的建模与仿真平台是进行空天飞机再入制导导航与控制系统(Guidance,Navigation and Control,GNC)研究的有效手段。提出一种基于Matlab平台和STK软件的空天飞机再入GNC一体化建模与仿真平台方案。基于Matlab平台进行二次开发,建立空天飞机建模工具,开发制导控制律辅助设计工具和数学仿真程序,利用STK软件进行结果的可视化仿真,为空天飞机再入GNC系统研究提供有效的建模、设计与仿真分析工具。     

再入轨迹跟踪控制的非线性方法研究

针对高度变化大,速度变化快的可重复使用飞行器的再入轨迹跟踪问题,选用名为状态相关Riccati方程的一种新型非线性控制方法进行再入轨迹跟踪控制器设计.同时在几乎所有涉及Riccati方程的控制器设计问题中,合适的加权矩阵的选择通常是比较棘手的.针对这个问题,提出了一种有效的权阵选择方法,避免了试凑等传统方法带来的误差和工作量.随后给出了最优再入轨迹跟踪控制器的详细设计过程,并在一定的气动摄动条件下进行飞行仿真.仿真结果表明了这种方案的可行性,实用性和鲁棒性.     

变体飞行器变形辅助机动的建模与滑模控制

以伸缩翼变体飞行器为对象,研究了机翼伸缩辅助机动飞行的建模与控制问题。建立了飞行器气动参数与翼展变形率的函数关系,将机翼伸缩视为辅助操纵方式,构建了变形辅助机动的动力学模型。针对飞行器模型高度非线性的特点和机翼伸缩等会引起复合干扰的问题,提出了一种基于反馈线性化的非奇异动态终端滑模控制(non-singular dynamic terminal sliding mode control,NDTSMC)策略,在保证有限时间收敛的基础上,通过对切换信号的积分作用消除抖振,实现对不确定性的抑制。仿真结果表明,非奇异动态终端滑模控制方法能提高变体飞行器的控制精度和鲁棒性能,更好地消除抖振;变形辅助机动的变体飞行器比常规飞行器具有更强的机动性能和抗干扰能力。     

变质量分布硬式加油管建模与反演自适应控制

硬式加油技术适合给大型飞机加油,能与软式加油形成功能互补。研制硬式加油技术,需要解决伸缩管动力学建模与控制问题。在加油机定直平飞的前提下,建立了考虑伸缩管质量分布变化与气动参数不确定性的动力学模型。将不确定性视为复合扰动,采用反馈线性化实现标称系统的解耦,并分别为俯仰与滚转子系统设计了非线性干扰观测器与反演自适应控制器。仿真结果表明,复合控制器在多种不确定性条件下能达到一致的控制效果,控制性能优于常规增稳控制系统。     

Progress in reentry trajectory planning for hypersonic vehicle

The reentry trajectory planning for hypersonic vehicles is critical and challenging in the presence of numerous nonlinear equations of motion and path constraints, as well as guaranteed satisfaction of accuracy in meeting all the specified boundary conditions. In the last ten years, many researchers have investigated various strategies to generate a feasible or optimal constrained reentry trajectory for hypersonic vehicles. This paper briefly reviews the new research efforts to promote the capability of reentry trajectory planning. The progress of the onboard reentry trajectory planning, reentry trajectory optimization, and landing footprint is summarized. The main challenges of reentry trajectory planning for hypersonic vehicles are analyzed, focusing on the rapid reentry trajectory optimization, complex geographic constraints, and coop- erative strategies.     

再入飞行器深度确定性策略梯度制导方法研究

为解决传统再入飞行器轨迹制导方法对强扰动条件适应性不足,难以满足终端约束的问题,在深度确定性策略梯度学习框架基础上,通过对随机强扰动条件下的离线飞行轨迹进行网络训练,寻找不同环境影响条件下的最优动作网络,以用于在线干扰条件下的制导轨迹规划,可通过对再入飞行攻角和倾侧角剖面的周期性预测,满足再入飞行终端高度、航程和速度约束。仿真实验结果表明：在满足终端高度约束的条件下,最大终端剩余航程偏差小于500 m,最大终端速度偏差小于35 m/s。本文所提制导方法较传统跟踪制导方法有较大的精度提升,算法计算量小,具有较好的工程应用前景。     

High-order sliding mode attitude controller design for reentry flight

A novel high-order sliding mode control strategy is proposed for the attitude control problem of reentry vehicles in the presence of parametric uncertainties and external disturbances, which results in the robust and accurate tracking of the aerodynamic angle commands with the finite time convergence. The proposed control strategy is developed on the basis of integral sliding mode philosophy, which combines conventional sliding mode control and a linear quadratic regulator over a finite time interval with a free-final-state and allows the finite-time establishment of a high-order sliding mode. Firstly, a second-order sliding mode attitude controller is designed in the proposed high-order siding mode control framework. Then, to address the control chattering problem, a virtual control is introduced in the control design and hence a third-order sliding mode attitude controller is developed, leading to the chattering reduction as well as the control accuracy improvement. Finally, simulation examples are given to illustrate the effectiveness of the theoretical results.     

一种新型升力体再入智能BTT控制方法研究

针对再入机动升力采用BTT控制方法可以提高升力体的机动能力,提出了一种新型的升力体再入体智能BTT控制方法.首先采用基于拟人智能控制方法设计出控制系统的控制律,然后在此基础上,研究基于神经网络的滑膜控制方法设计鲁棒补偿器以增强控制系统的鲁棒性.通过仿真分析,验证了该方法的有效性.     

利用高斯伪谱法求解具有最大横程的再入轨迹

为了使升力式飞行器再入大气层后取得最大横程,采用高斯伪谱方法求解最优再入轨迹。利用微分形式高斯伪谱方法将飞行器三自由度再入轨迹优化问题转化为非线性规划问题,选取高斯节点上的状态量和控制量作为待优化参数,并将最优性能指标选为横程最大,然后对再入轨迹进行了求解。通过与按最大升阻比飞行方案所得结果进行对比,表明按所提方法求取的再入轨迹优于后者。此外,仿真过程还说明高斯伪谱法对状态猜测值并不敏感,算法容易收敛,适用于轨迹优化问题的求解。     

动量轮控制弹头姿态控制系统设计

提出了一种以动量轮为执行机构的具有中性静稳定气动布局的再入弹头姿态控制新方案。基于动量矩交换原理和中性静稳定概念分析了新方案的可行性,并推导了具有这种新型执行机构的弹头的姿态动力学方程。利用反馈线性化方法,将姿态动力学方程线性化并解耦成俯仰、偏航和滚转三个方向上的单输入单输出系统,然后运用滑模变构控制理论设计各通道的控制器。对姿态控制系统的数值仿真结果表明,所设设计的控制器能实现高精度的姿态机动和姿态稳定,现有动量轮技术指标即可满足滚动通道的姿态稳定。     

Polytopic LPV modeling and gain-scheduled switching control for a flexible air-breathing hypersonic vehicle

A novel gain-scheduled switching control method for the longitudinal motion of a flexible air-breathing hypersonic vehicle (FAHV) is proposed.Firstly,velocity and altitude are selected as scheduling variables,a polytopic linear parameter varying(LPV) model is developed to represent the complex nonlinear longitudinal dynamics of the FAHV.Secondly,based on the obtained polytopic LPV model,the flight envelope is divided into four smaller subregions, and four gain-scheduled controllers are designed for these parameter subregions.Then,by the defined switching characteristic function,these gain-scheduled controllers are switched in order to guarantee the closed-loop FAHV system to be asymptotically stable and satisfy a given tracking error performance criterion.The condition of gain-scheduled switching controller synthesis is given in terms of linear matrix inequalities(LMIs) which can be easily solved by using standard software packages.Finally,simulation results show the effectiveness of the presented method.     

再入机动飞行器最优轨迹设计与跟踪

提出了一种再入机动飞行器（maneuvering reentry vehicle, MRV）的最优制导与控制方案。针对MRV再入机动轨迹优化问题,提出了新的基于Gauss伪谱优化方法的分段优化策略;由产生的最优参考轨迹,生成系统的外环最优制导指令。接着利用轨迹线性化控制（trajectory linearization control, TLC）方法设计系统的内环控制律。基于MRV完整的非线性六自由度模型,仿真表明提出的再入轨迹优化设计方法是有效的,而且内环TLC控制器可以准确地跟踪外环的最优制导指令和最优轨迹,并对系统未建模特性和参数不确定性具有一定的鲁棒性能。     

基于控制参数估计的再入滑翔目标智能轨迹预测算法

再入滑翔目标的轨迹预测是一项困难且具有意义的技术, 现有利用简单函数拟合控制参数进行轨迹预测的方法, 拟合精度不高且对数据的关联性不强。针对该问题, 本文结合长短期时序网络提出了基于控制参数估计的智能轨迹预测算法。首先, 通过设计快速轨迹生成算法, 结合攻角走廊模型快速生成大量机动轨迹, 构建数据集。然后, 建立了包含末点修正网络、控制参数修正网络及预测网络的智能轨迹预测框架, 利用数据集对关键控制参数的变化规律进行学习。最后, 结合目标运动模型积分外推实现轨迹的准确预测。仿真结果表明, 所设计的预测算法在不同机动模式下的预测平均误差不超过1.4 km, 最大误差不超过2.5 km, 能够实现轨迹的快速预测, 且对大气扰动造成的模型不确定性具有一定的鲁棒性。     

Adaptive dynamic surface control for air-breathing hypersonic vehicle

This paper describes an adaptive control approach for an air-breathing hypersonic vehicle.The control objective is to provide robust altitudes and velocity tracking in the presence of model uncertainties and varying disturbances.A fuzzy-neural disturbance observer is developed to estimate uncertainties and disturbances,and the adaptive controller is synthesized by the dynamic surface approach combing with the observer.The tracking error at the steady state can be guaranteed to converge to inside of a small residue set which the size of the set can be an arbitrary small value.Simulation results demonstrate the effectiveness of the presented approach.