基于自适应动态规划的航空航天飞行器鲁棒控制研究综述#br#

自适应动态规划方法(ADP)是一种基于强化学习框架的智能控制方法，通过函数近似技术，最终得到动态规划问题的近似最优控制策略.本文对ADP方法在航空航天飞行器鲁棒控制的研究进行综述. 首先，介绍了ADP方法基本结构框架与典型算法实现原理. 进一步，对于ADP方法在高超声速飞行器系统，导航制导系统以及无人机系统在鲁棒控制中的相关研究进行介绍. 最后，对未来航空航天飞行器领域ADP方法的发展前景进行了分析.     

吸气式高超声速飞行器热气动弹性研究进展

吸气式高超声速飞行器是当前航空航天领域研究的热点,该类飞行器通常使用超燃冲压发动机作为推进系统,并采用一体化设计方案,带来了一系列的气动弹性问题。首先阐述了吸气式高超声速飞行器机体/发动机一体化建模研究进展;随后介绍了热气动弹性/推进耦合、控制系统耦合以及不确定性分析等方面的热气动弹性动力学研究进展,并对相关热气动弹性试验研究进行了分析;最后对吸气式高超声速飞行器的热气动弹性问题提出了若干研究建议。      

高动态无人飞行器轨迹规划与控制技术

针对高动态无人飞行器的飞行环境中,气动力、气动热条件苛刻,飞行参数和结构变化剧烈的特点,研究了多约束条件下的轨迹规划与设计方法.提出了以无人飞行器倾侧角为主控制量,将轨迹规划问题转化为最优控制问题,采用极大值原理和改进的邻近极值法,求解无人飞行器总吸热量最小的最优控制,并使得最优控制满足所有飞行边界约束和终端约束.最后,以某型高动态无人飞行器为对象,仿真证明了方法的有效性.     

高超声速飞行器抗饱和控制技术发展综述

对高超声速飞行器的姿态控制特点和抗饱和控制需求进行了阐述。针对高超声速飞行器抗饱和控制技术,分别从饱和近似函数、Nussbaum函数、最优化方法、线性化方法等方面对主动抗饱和控制方法进行了综述;从饱和补偿系统理论、补偿系统构型等方面对被动饱和状态补偿方法进行了综述。最后,对高超声速飞行器抗饱和控制技术发展进行了总结,并对该技术的未来主要研究方向进行了展望。     

基于近似动态规划的目标追踪控制算法

在目标跟踪问题中,针对飞行器控制算法难以适应目标大机动飞行甚至与我方博弈等难度较大任务的问题,提出了基于近似动态规划的目标追踪控制算法。该算法通过使用博弈策略对我方无人机进行训练形成经验,将双方位置等状态作为已知量,滚转方向作为控制量,利用两物体的相对位置得出其特征,并形成近似值函数;最终利用rollout算法进行最优跟踪决策求解,实现对跟踪目标甚至是博弈目标的灵活有效精确跟踪。仿真结果验证了近似动态规划用于控制算法的有效性。      

世界主要空天飞行器研制情况及未来发展趋势

正空天飞行器(Aerospace Vehicle)是航空航天飞行器的简称。美国国家航空航天局(NASA)航空航天技术术语词典和麦格劳-希尔科学与技术术语词典对空天飞行器的解释为"在可感大气层内外都可以飞行的一类飞行器",即既能航空又能航天的飞行器。一般来说,将海拔100km高度的卡门线作为航空与航天的界线。所以空天飞行器是指既可以在海拔100km以下又可以在海拔100km以上飞行的飞行器。本文从商业和军事两方面阐述了空天飞行器的研究意义,介绍了空天飞行器研发所必须要突破的关键技术     

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.     

基于虚拟仪器的正弦动态压力校准技术研究

本文针对压力传感器动态校准需求,提出了一种基于虚拟仪器的正弦动态压力校准方法,设计了正弦动态压力校准系统,分别从总体设计方案、硬件配置及软件控制三方面进行介绍,然后对正弦动态压力校准系统进行试验及不确定度评定,结果表明该方法可行有效,可满足航空航天、工业领域中对压力动态测量要求。     

空间飞行器控制软件的动态自适应演化方法

空间飞行器在太空飞行过程中需要满足多任务、多工作模式以及大范围机动的需求, 其控制系统在大范围机动飞行条件下存在大量的外界干扰和内部参数不确定，同时飞行器的自适应过程受限于资源，人工干预难度大，并且现有的成熟的动态自适应方法并不一定适合空间飞行器控制软件进行自主控制，所以目前对自主控制系统软件的动态自适应调整方法提出了更高的要求.由此提出一种在双层感知—分析—决策—执行(MAPE)控制循环基础上的自适应框架，使用基于规则/策略的决策方法和基于强化学习的决策方法对系统感知到的局部和全局变化进行决策，并且采用基于数据驱动的反馈方法对规则库中的策略信息进行周期性的调整和优化，保证飞行器在太空执行任务面对复杂的环境时可以动态的完成自适应调整，保障任务的可靠执行.     

基于虚拟仪器的正弦动态压力校准技术研究

本文针对压力传感器动态校准需求,提出了一种基于虚拟仪器的正弦动态压力校准方法,设计了正弦动态压力校准系统,分别从总体设计方案、硬件配置及软件控制三方面进行介绍,然后对正弦动态压力校准系统进行试验及不确定度评定,结果表明该方法可行有效,可满足航空航天、工业领域中对压力动态测量要求。     

压电柔性结构振动的鲁棒控制

针对具有多面体型参数不确定性和外界扰动的柔性悬臂梁系统,研究其振动的鲁棒控制问题.基于压电柔性悬臂梁系统的状态方程,利用一种扩展LMI(Linear Matrix Inequality),对柔性悬臂梁的振动提出了改进的 H₂/H_∞ 综合状态反馈鲁棒控制方法.此方法针对多面体型参数不确定性系统引入不同的Lyapunov函数,降低了原来 H₂/H_∞ 综合鲁棒控制方法中由于使用一个公共Lyapunov函数而产生的保守性.通过Matlab分别采用改进和未改进的 H₂/H_∞ 鲁棒控制方法对柔性悬臂梁系统的振动控制进行了数值仿真.仿真结果表明,2种方法都使柔性悬臂梁的振动得到了良好控制,而改进方法的控制效果更好.     

200Nms单框架控制力矩陀螺研制

介绍天宫一号目标飞行器采用的单框架控制力矩陀螺的总体结构、技术指标和验证试验.该单框架控制力矩陀螺的角动量为200Nms,最大可输出力矩为20Nm,响应带宽为2Hz,其中2个控制力矩陀螺高速转子已经进行了25000h的寿命试验.天宫一号目标飞行器姿态控制系统共采用了6个单框架控制力矩陀螺来输出姿态控制力矩,当1个或2个控制力矩陀螺失效时姿态控制系统仍能正常工作.     

基于切换多胞模型的变体飞行器增益调参控制

针对一类可变后掠翼的变体飞行器,研究了全包线控制器的设计与综合方法.建立了基于切换多胞系统的变体飞行器模型,所提出的框架利用Lyapunov函数方法分析系统的稳定性,能够从理论上保证变体飞行器在全包线下的飞行稳定.给出了利用小凸包算法从三维飞行包线中选取设计点的方法,并对各设计点处的线性化模型设计了最优控制律.为继承传统增益调参方法的优势,提出了一种特殊的控制器插值方法,保证变体飞行器三维包线下的控制综合过程简便实用.仿真结果表明所提出的控制方法在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能.      

铝合金2A12在热冲击条件下的力学性能

测试并确定航空航天材料在复杂高速热冲击条件下的强度极限等关键参数,对于航空航天材料和结构的可靠性评定、寿命预测以及高速飞行器的安全设计具有重要的意义.针对强度设计手册中没有航空航天材料在高速热冲击环境下的强度极限等表征参数的现状,使用自行研制的高速飞行器瞬态气动热试验模拟系统,对铝合金材料2A12在多种不同的瞬态热冲击条件下,进行气动加热模拟与热载联合试验研究,得到在瞬态热、力学环境的共同作用下铝合金2A12材料的强度极限等力学性能变化状况.为研究分析航空航天材料和结构在高速热冲击环境下的承载能力和结构减重提供可靠依据.      

基于高度跟踪的末端能量管理段制导

针对一类可重复使用飞行器的末端能量管理段制导问题进行研究.末端能量管理系统通过能量-待飞距剖面对飞行器实施制导,并对能量加以控制,引导飞行器到达安全的着陆窗口.采用基于系统线性化和退步设计原理生成纵向的高度控制系数和横向航迹的控制系数,并简化了制导律的设计参数,给出定常的PD控制系数.在完成标称轨迹离线规划的基础上,纵横向综合制导最终使飞行器满足着陆窗口的要求.通过对不同误差条件的仿真分析,显示了该方法对各种偏差摄动条件具有良好的鲁棒性.     

电液飞行转台的分数阶积分滑模非线性控制

电液飞行转台是飞控系统半实物仿真测试的关键设备,它是在实验室条件下复现飞行器运动姿态的高精尖试验设备,具有重大经济价值和国防战略意义.为提高该设备的动态跟踪精度,提出一种基于分数阶积分滑模的非线性鲁棒控制策略.在积分滑模控制器中引入分数阶算子,能更有效地提升系统瞬态响应,并能提供更多的控制自由度.同时基于 Lyapunov 分析方法证明了该控制器在存在参数不确定、强外干扰力矩和未知非线性摩擦特性等情况下仍能保证系统的全局渐近稳定性.以某型电液飞行转台外框阀控马达为例,针对多种运动工况进行仿真分析,结果表明该方法能有效提高系统的瞬态性能和鲁棒能力.     

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。     

高超声速再入滑翔飞行器多约束轨迹快速优化

为适应高超声速再入滑翔飞行器高动态、多约束的特点,提出了一种快速轨迹优化方法.轨迹优化时将倾侧角控制曲线表示为飞行器能量参数的分段线性函数,从而使纵向轨迹优化问题转化为多维非线性规划问题,并采用序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)方法进行优化求解.横侧向轨迹控制采用偏航角跟踪视线角的方法,设计了视线角误差走廊边界随速度变化的取值,研究了倾侧角反转策略,避免了传统优化中求解倾侧角反转时刻所需的迭代运算.仿真结果表明:该轨迹优化方法在一般高性能微机上生成一条约10 000 km左右的飞行轨迹耗时约5 s,具有较快的优化速度,且精度较高,有一定的工程应用价值 .      

基于输出重定义的再入飞行器动态逆姿态控制

再入飞行器仅使用两个体襟翼对姿态进行控制将导致横侧向运动中包含不稳定内动态。针对这一欠驱动问题,提出基于输出重定义的动态逆控制方法。采用输出重定义技术使零动态局部稳定,通过极点配置提高零动态的鲁棒性,对重定义输出系统进行反馈线性化从而设计动态逆控制器。仿真结果验证了该方法能确保零动态的稳定性,并显示出在镇定侧滑角的同时对攻角指令和倾侧角指令良好的跟踪性能,通过与反推力控制系统（RCS,Reaction Control System）单独控制的结果进行比较,表明该控制方法仅依靠气动舵面就能实现姿态的稳定控制,既节省了燃料,又减小了飞行器的结构复杂度,并且增大了飞行器的有效载荷。