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.     

高超声速滑翔飞行器动态逆解耦跟踪控制方法研究

针对临近空间高超声速滑翔飞行器再入段俯仰偏航以及滚动三通道运动存在非线性耦合严重的情况,建立了高超声速滑翔飞行器的多变量强耦合非线性时变倾斜转弯控制模型,提出了一种将过载控制转化为所需迎角侧滑角及滚转角误差的三通道联合跟踪控制方法,根据高超声速滑翔飞行器制导回路快速性的动态性能要求,设计了一种基于非线性动态逆及状态反馈的解耦综合控制器,闭环仿真结果表明该方法能够实现三通道运动解耦控制和制导指令跟踪,满足系统动态性能的要求。     

高超声速飞行器总体性能虚拟飞行试验验证系统

高超声速飞行器具有重要战略价值,但难以进行全程和整个飞行包络的真实飞行试验,基于仿真技术进行虚拟飞行试验是其总体性能分析与验证的必要手段。针对高超声速飞行器在飞行过程中总体、控制、气动、结构、动力、载荷、防热与热环境、飞行器运动学与动力学等多学科、多物理场强耦合特性,提出了高超声速飞行器高性能多物理场耦〖JP3〗合虚拟飞行试验平台体系结构,建立了高超声速飞行器多物理场耦合虚拟仿真试验模型,开发了基于高性能异构计算系统的多学科综合虚拟飞行试验系统,为实现高超声速飞行器的总体设计提供了可靠、实用的验证途径。     

弹性高超声速飞行器动态面制导控制一体化设计方法

面向弹性高超声速飞行器滑翔段制导控制系统设计问题,应用动态面控制理论设计了两种制导控制一体化方法.建立了弹性高超声速飞行器滑翔段纵向运动模型,并推导了具有严格反馈形式的弹性高超声速飞行器制导控制一体化设计模型.将弹性状态视为不确定项,分别基于自适应方法和非线性干扰观测器(nonlinear disturbance ob...     

适于高超声速飞行器的三维非线性滑模制导律

综合考虑高超声速飞行器末制导过程中的运动耦合和参数扰动问题,设计了一种适于高超声速飞行器的三维非线性伪最优滑模制导律。首先,针对运动耦合问题,定义视线旋量和视线旋量速度,构建了基于视线旋量和视线旋量速度的高超声速飞行器三维非线性制导参考模型;然后,针对参数扰动问题,基于变结构控制理论,推导出一种适于多约束制导要求的三维非线性滑模制导律,并通过理论推导证明了该制导律的稳定性;最后,引入伪控制变量,完成了制导参数的优化,从而完成三维非线性伪最优滑模制导律的设计。该制导律能够从理论上克服运动耦合和参数扰动问题,其制导参数又满足一定物理意义下的最优性。仿真结果验证了制导律的有效性。     

高超声速飞行器动态面控制系统设计与仿真

针对高超声速飞行器飞行高度和飞行马赫数变化范围大,其数学模型具有严重非线性、不稳定性、多变量耦合以及不确定的空气动力学参数等特点,提出了动态面控制方法为其设计飞行控制系统。该方法通过构造动态面变量并根据能达条件,来设计中间的虚拟控制信号和最终的控制信号。通过在控制律设计过程中增加一阶动态滤波器,避免了设计过程中对非线性虚拟控制信号的微分,大大减少了控制律的计算量。并以某常规高超声速飞行器纵向模型为对象进行仿真。仿真研究表明该控制方法较好的实现了高超声速飞行器对指令信号的跟踪。     

高超声速飞行器轨迹跟踪控制仿真研究

针对高超声速飞行器纵向模型的快时变、强耦合和高度非线性的特点,在考虑模型不确定性的情况下,采用李导数的方法对某型高超声速飞行器进行输入输出的精确线性化。基于线性化后的模型,提出一种非线性动态逆控制的方法,并对其稳定性进行分析,实现对该型高超声速飞行器的轨迹跟踪控制。并利用Matlab搭建仿真平台,仿真结果显示仿真平台的正确性和控制算法的有效性。     

基于奇异摄动的最优滑翔制导律

针对高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化和制导关键技术,设计了一种新型的最优滑翔制导律.首先,通过对再入飞行器运动学、动力学状态变量变化特点的假定,将其进行三个快慢时间尺度的划分;然后,应用最优控制理论分别求解三个不同时间尺度上的子问题,得到其解析解;在此基础上,基于奇异摄动方法,设计出具有闭环反馈形式的最优滑翔制导律;最后,对所求制导律的有效性进行了数学仿真验证.仿真结果表明:该制导律能在三维空间内导引/再入飞行器朝目标方向最远距离滑翔飞行;该算法得出的闭环解析解满足制导过程中实时计算需求,具有工程应用前景.     

基于Backstepping的高超声速飞行器鲁棒自适应控制

针对非线性、多变量、不稳定且包含不确定参数的高超声速飞行器模型,设计了高超声速飞行器的鲁棒自适应Backstepping控制器。采用指令滤波的设计方法,得到内回路的跟踪指令及其一阶微分信号,避免了虚拟控制信号需要进行复杂求导计算的困难。飞行器不确定参数采用自适应律在线调整,通过设计辅助滤波系统,并通过修改自适应律中跟踪误差的定义,消除由于期望控制信号不能完全执行所引起的跟踪误差的影响,保证了参数估计在控制信号约束情况下的顺利进行。仿真结果表明,所提出的设计方法不仅应用简单,且能保证高超声速飞行器在不确定参数存在情况下的闭环稳定及良好的跟踪控制性能。     

NSHV机动目标跟踪的自适应模型算法

临近空间高超声速飞行器具有飞行轨迹多变、机动性强等特点,而周期性的滑跃式飞行是其常用的重要机动形式。将目标加速度建模为时间自相关的随机过程,结合“当前”统计模型的自适应跟踪思想,提出了一种针对临近空间高超声速飞行器机动目标跟踪的模型。采用容积卡尔曼滤波算法分别对单模型和交互式多模型进行了蒙特卡罗仿真分析,结果表明该模型在跟踪临近空间高超声速飞行器时有较好的跟踪精度和适用性。     

高超声速飞行器切换多胞系统自适应跟踪控制

针对保证大包线稳定飞行的高超声速飞行器轨迹跟踪控制器设计问题,提出了一种多回路切换多胞自适应跟踪控制方案。基于运动模态在频率上存在显著的时标分离特性,将高超声速飞行器的状态分成内外回路进行设计,考虑到干扰及外回路对内回路的不确定影响,采用增益调度与自适应控制结合的方法设计了内外回路控制器。该方法解决了将该飞行器切换多胞系统作为整体设计时无法综合出保证全局稳定控制器的问题,并且降低了控制器设计的复杂性。仿真结果表明,闭环跟踪系统在工作包线内具有良好的动态响应品质与稳态跟踪性能,从而验证了控制方案的有效性。     

固体火箭助推段终端多约束能量管理制导研究

针对高超声速飞行器投放任务要求,开展了固体火箭助推段终端多约束能量管理制导研究。根据三级固体火箭第三级飞行特点,提出一种基于纵向、侧向联合设计制导方法。纵向在高度时间剖面内生成名义轨迹,并完成跟踪制导律设计,实现终端高度、当地弹道倾角和攻角约束。侧向采用两次反向的修正交变姿态控制能量管理(alternate attitude control energy management, AEM),并通过预测校正相关参数,提高速度控制精度,实现侧向位移收敛。仿真结果表明,本方法可实现不同终端约束制导任务需求,具有在线自适应能力。     

高超声速飞行器新型攻角约束反演控制

针对考虑攻角约束的高超声速飞行器控制问题,提出一种受限指令滤波器与预设性能方法相结合的反演控制方案.首先,从高超声速飞行器运动模型中划分出高度子系统并基于反演控制方法设计控制器.为了解决攻角约束问题,构造受限指令滤波器对攻角虚拟指令限幅并保证指令的可导性.然后,利用预设性能方法预先设定约束范围,保证攻角跟踪误差始终满足...     

Tracking control for air-breathing hypersonic cruise vehicle based on tangent linearization approach

This paper is focused on developing a tracking controller for a hypersonic cruise vehicle using tangent linearization approach. The design of flight control systems for air-breathing hypersonic vehicles is a highly challenging task due to the unique characteristics of the vehicle dynamics. Motivated by recent results on tangent linearization control, the tracking control problem for the hypersonic cruise vehicle is reduced to that of a feedback stabilizing controller design for a linear time-varying system which can be accomplished by a standard design method of frozen-time control. Through a proper model transformation, it can be proven that the tracking error of the designed closed-loop system decays exponentially. Simulation studies are conducted for trimmed cruise conditions of 110 000 ft and Mach 15 where the responses of the vehicle to step changes in altitude and velocity are evaluated. The effectiveness of the controller is demonstrated by simulation results.     

高超声速伸缩式变形飞行器再入轨迹快速优化

针对高超声速变形飞行器再入轨迹优化问题, 研究了一种基于改进高斯伪谱法(Gauss pseudospectral method, GPM)的快速优化方法。首先,针对一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器, 建立了将展长变形量扩展成为控制变量的再入轨迹优化模型。其次, 采用GPM将轨迹优化问题转化为非线性规划(nonlinear programming, NLP)问题, 并基于NLP偏导数的稀疏性推导目标函数梯度和约束Jacobian矩阵的高效计算方法。最后, 优化求解了变形飞行器的最大横向航程、再入可达区、最大终端速度和最小飞行时间。仿真结果表明, 推导的梯度计算方法可有效提高优化求解效率, 变形飞行器相对于固定外形飞行器的性能更加优越, 最大横向航程、可达区覆盖范围、最大终端速度和最小飞行时间等指标均有显著提升。     

Reference tracking control for flexible air-breathing hypersonic vehicle with actuator delay and uncertainty

This paper considers the problem of reference tracking control for the flexible air-breathing hypersonic flight vehicle with actuator delay and uncertainty.By constructing the Lyapunov functional including the lower and upper bounds of the time-varying delay,the non-fragile controller is designed such that the resulting closed-loop system is asymptotically stable and satisfies a prescribed performance cost index.The simulation results are given to show the effectiveness of the proposed control method,which is validated by excellent output reference altitude and velocity tracking performance.     

高超音速飞机模型的仿真研究

为了掌握高超音速飞机复杂的动态特性,提出了一种研究高超音速飞机模型的新方法.该方法采用MATLAB插值函数和S函数分别估算和建立高超音速飞机的气动参数及其六自由度的微分方程组,并在不同高度和速度下计算飞行的平衡点,然后通过比较平衡条件与约束条件,近似得到了整个飞行过程的飞行包线.仿真研究表明,该方法适合用在高超音速飞机模型上,仿真结果与期望要求相符合.