高超声速飞行器制导控制与评估方法研究

发布时间：2020-09-30 21:32

　　随着美国“全球快速打击”战略构想的提出,对于高超声速飞行器的研究已成为当今军事研究的一个热点。超高的飞行速度和广阔的飞行空域是其主要特点,飞行器在飞行过程中通常会受到一定的监视和拦截,因此在制导系统设计过程中需要对这些威胁进行考虑。本文在考虑传统约束的基础上引入了禁飞区约束,使得飞行器在飞行过程中能够对禁飞区进行有效规避。此外,随着研究的深入进行,高超声速飞行器的结构日益复杂,飞行器精确的数学模型难以获取,且飞行过程中存在诸多的不确定性因素,因此,需要探索新的控制方法摆脱控制系统设计过程对精确数学模型的依赖。随着计算机技术的发展,基于数据的控制方法成为了可能,本文以系统数据为基础开展了方法研究,从而在一定程度上实现了不依赖精确模型的控制系统设计。现有以高超声速飞行器为研究对象的工作中,很少涉及对制导系统和控制系统的评估工作,本文考虑高超声速飞行器特点,以文中提出的制导控制方法为基础,开展性能评估工作,从而完成制导控制与评估的研究闭环,对制导控制系统进行全方位评价。本文针对以上研究热点和难点,以高超声速飞行器为研究对象,开展制导控制和评估系统研究工作,主要包含以下几个方面:(1)高超声速飞行器特性分析与模型建立。构建了高超声速飞行器的制导系统模型和控制系统模型,并依据高超声速再入飞行的制导任务,定义了过程约束和终端约束条件。对高超声速飞行器的特性进行了分析。特殊的飞行环境和超高的飞行速度使得高超声速飞行器各个通道之间的耦合作用、时变特性以及强烈的非线性特性都远比传统飞行器要复杂,飞行过程中对姿态有着十分严格的要求。在进行数据驱动控制系统设计之前需要对飞行器的飞行特性进行分析。通过飞行特性的分析明确各个控制量与状态量之间的作用机理,并记录相互之间的随变关系,为后续研究工作提供参考。(2)考虑禁飞区的高超声速飞行器制导方法研究。传统高超声速飞行器制导方法设计过程中重点考虑飞行器飞行过程中的各种热流约束以及终端状态约束。高超声速飞行器由于飞行空域广,需要在飞行过程中考虑各种拦截因素的存在,即考虑禁飞区,本文通过对禁飞区进行分析,首先采用改进的A*算法对禁飞区进行有效规避,设计标称规避轨迹,引入过程约束,结合最优控制的思想,基于飞行器的动力学方程进行推演,最终得出考虑禁飞区制导指令,完成对禁飞区的规避。(3)基于数据的高超声速飞行器控制系统设计。通过神经网络的相关理论来进行控制系统设计。通过对姿态系统的分析,对模型中的未建模动态进行分离,针对系统的未建模动态进行研究。以非线性未建模动态作为研究对象,构建有权重和径向基函数组成的神经网络系统结构。采用可变滑动窗口的同步扰动随机逼近(SPSA)的方法来进行权重估计。与传统的参数求解方法相比,SPSA方法对于的参数求解更加快速。同时对于多维参数求解的情况,传统的求解方法难于处理,SPSA方法求解过程不受维数的限制,能够快速完成。且改进的SPSA方法能够进一步提升参数计算效率满足高超声速飞行器快时变的要求。(4)高超声速飞行器制导方法与控制方法分析与评估。通过对飞行器进行全面分析,对制导控制系统进行性能做出评价,主要考虑飞行器的模型置信度评估、制导控制系统评估体系建立、制导控制系统打分策略研究、制导控制系统适应性分析等问题。(5)仿真验证。基于上述工作开展仿真验证工作,建立飞行器的数学模型,构建完备的仿真系统,对制导控制算法效果进行验证。通过数学仿真,说明本文所提出方法的快速性和鲁棒性。本文内容中的创新之处可以总结为:(1)提出了考虑禁飞区的高超声速飞行器最优制导方法。将高超声速飞行过程中的禁飞区约束引入到制导指令的求解过程中,通过最优控制的思想最终得出能够满足禁飞区规避需求的制导指令。(2)采用数据驱动控制的思想进行了飞行器控制系统设计。结合飞行器特性,对非线性姿态运动方程进行分解,采用神经网络系统对其中的未建模动态进行处理,在一定程度上降低了控制方法对飞行器模型的依赖程度。对现有的同步扰动随机近似方法进行了改进,将改进后的方法用于控制器参数的求解,提升了参数的求解效率,同时求解过程不再受到待求解参数维数的约束。(3)提出了针对高超声速飞行器制导控制系统性能的评估方法。结合制导控制系统结构以及参数求解特点给出了具有较强针对性的系统性能评估方法,对制导控制系统进行了全方位评价与验证。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V249;V448
【部分图文】：

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15超声速飞行器的动态特性以及神经网络控制飞行器动态特性的神经网络控制器结构。对法对神经网络控制器中的相关参数进行求解要求，完成控制器设计。超声速飞行器自身动态特性与制导控制系统对控制系统性能作出全面评价。文研究内容设计建模与仿真原型系统进行总结与展望。

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第 3 章考虑禁飞区的高超声速飞行器再入最优制导点为飞行器当前位置，V 为飞行器当前速度，wO 点为禁飞圆通过图示可知，终端状态可以看成是对于航迹偏角的要求，即道偏角，1 为当前位置到禁飞圆切线的方向角。根据经验及变量的初值，找出一条与终端状态最为接近的弹道，从而完

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图 3-5 禁飞区重合的情况区数目较多时可能会出现相互重合的情况，这时采用任务需求，又能简化处理过程。在对航迹无影响的禁飞区。飞区离飞行航迹距离较远时，对禁飞区不予考虑，这不起作用的禁飞区。础上对制导算法进行推演。以单个禁飞区的处理方法推演。这里只需重点考虑两个禁飞圆之间的轨迹处理行修改，飞行器绕禁飞圆边沿或者最小转弯半径飞行飞圆相切时飞行器沿当前方向飞行。到达下一个禁飞飞行。以此类推，完成禁飞圆之间飞行器的制导指令行器当前位置，V 为飞行器当前速度，w1O 、w2O 点分2分别为两个禁飞圆的半径。

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