论文摘要
重复使用运载器(RLV)在末端区域能量管理与自动着陆段的飞行包线大、飞行状态变化剧烈、动力学特性的不确定性高,且在不同的飞行阶段表现为不同的特性,必须解决飞行过程中的制导与控制问题。本文主要解决重复使用运载器末端区域能量管理(TAEM)与自动着陆段的制导与控制问题。为了提高重复使用运载器制导与控制系统的自主性和鲁棒性,借用混合动态系统的概念,形成了层次化、模块化的体系结构。这种基于功能的系统结构,大大提高了系统的自主性和对不确定性的自主决策能力,使整个系统具有较好的鲁棒性,且容易修改与维护,为模块的扩展打下了基础。利用质点动力学方程在空间上的描述,形成了基于动压剖面的TAEM轨迹设计方法和能量走廊鲁棒性的分析方法。为了提高轨迹剖面对初始条件不确定性的鲁棒性,形成了在线轨迹生成技术相关的概念,分析了在线轨迹生成技术的思想和设计方法。基于动压剖面的轨迹设计方法可以增大积分步长、减小计算时间,提高轨迹设计的鲁棒性能。为了改善重复使用运载器末端区域能量管理段的控制系统性能,给出了基于轨迹线性化的控制系统结构,这种结构包括前馈和反馈控制系统,反馈控制保证系统的稳定性,前馈则可以改善系统的动态性能。采用基于轨迹线性化的控制系统结构,可以改善控制系统的动态性能,提高非线性跟踪能力,既可以满足RLV大飞行包线范围内的稳定性要求,又可以适应RLV高空的低动态特性和飞行状态剧烈变化的特点根据末端区域能量管理飞行任务的要求,给出了完备的能量管理制导方案,并沿轨迹剖面对制导规律进行了设计,并对制导回路的鲁棒性进行了分析。结果表明,这种制导策略可以满足不同的能量情形,完成末端区域能量管理的任务要求,同时为制导系统的工程实现提供了一种简明方法。根据自动着陆段下滑轨迹的特点,给出了基于高度剖面的自动着陆轨迹设计方法,在高度剖面上规划速度剖面,以满足触地速度的要求。为了分析轨迹的特性,给出了自动着陆轨迹鲁棒性的概念和评价方法,对轨迹鲁棒性进行了分析和评价。根据无动力投放自动着陆的任务要求,提出了一种基于在线轨迹生成的制导技术。这种制导技术充分考虑RLV的飞行能力,根据初始状态和末端状态规划轨迹剖面,将轨迹生成与制导策略相结合,形成制导回路,具有较好的自主性、鲁棒性和工程实用性。最后,在半物理实时仿真环境中,进行全飞行过程和无动力投放自动着陆试验的事务性仿真。结果表明全系统任务管理逻辑的正确性、制导策略与控制策略的合理性以及制导规律与控制规律的鲁棒性。
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摘要ABSTRACT第一章 绪论1.1 重复使用运载器概述1.1.1 RLV 的发展现状1.1.2 RLV 的关键技术演示验证1.1.3 RLV 制导与控制系统概述1.2 课题研究背景、目的与意义1.3 TAEM/AL 制导与控制系统的特点与现状1.3.1 TAEM/AL 制导与控制的特点1.3.2 TAEM/AL 制导与控制系统的研究现状1.4 课题研究内容与章节结构第二章 重复使用运载器动力学特性的建模与分析2.1 引言2.2 RLV 非线性数学模型2.2.1 假设条件2.2.2 坐标系2.2.3 坐标转换2.2.4 RLV 受力分析2.2.5 RLV 的力矩分析2.2.6 质点运动方程2.2.7 六自由度运动方程2.3 配平与线性化2.3.1 “瞬时”平衡的定义与条件2.3.2 沿轨迹剖面的配平与线性化2.4 RLV 的动力学特性分析2.4.1 飞行状态变化剧烈2.4.2 升阻比特性2.4.3 静稳定性2.4.4 模态特性2.5 小结第三章 制导与控制系统的体系结构3.1 引言3.2 RLV 制导与控制系统体系结构3.2.1 混合系统的三层次结构3.2.2 RLV 制导与控制系统体系结构3.3 任务管理功能描述3.3.1 正常的任务管理3.3.2 制导增益重构3.3.3 自动中止3.4 轨迹、制导与控制3.4.1 轨迹剖面3.4.2 制导与控制回路3.5 小结第四章 TAEM 轨迹设计技术研究4.1 引言4.2 能量走廊与轨迹设计思想4.2.1 能量走廊的概念4.2.2 轨迹设计思想4.3 质点动力学方程4.3.1 基于时间历程的质点动力学描述4.3.2 基于动压的质点动力学描述4.3.3 基于高度的质点动力学描述4.3.4 基于待飞距离的质点动力学描述4.3.5 轨迹设计流程4.4 基于优化的轨迹仿真算法4.4.1 初始参数计算4.4.2 固定动压剖面的仿真算法4.4.3 最大升阻比下滑的仿真算法4.5 能量走廊的设计4.5.1 物理约束4.5.2 最陡下滑轨迹设计4.5.3 最大升阻比下滑轨迹设计4.5.4 能量走廊剖面4.5.5 能量走廊的鲁棒性分析4.6 标称轨迹剖面设计4.6.1 动压剖面的形状4.6.2 标称轨迹剖面的设计4.7 在线轨迹设计技术研究4.7.1 在线轨迹设计的相关概念4.7.2 动压剖面设计4.7.3 高度剖面设计4.7.4 轨迹剖面优化4.7.5 在线轨迹设计实例4.8 小结第五章 TAEM 基于轨迹线性化的纵向控制回路研究5.1 引言5.2 基于轨迹线性化的控制系统结构5.2.1 基于轨迹线性化的控制系统结构5.2.2 伪逆模型5.2.3 控制器5.3 TAEM 纵向反馈控制策略与控制结构5.3.1 反馈增稳控制策略5.3.2 俯仰角速率控制回路结构5.3.3 俯仰角速率控制规律设计分析5.4 控制回路中的动态约束5.4.1 控制回路中的飞行状态约束5.4.2 动态约束5.5 纵向反馈控制规律设计5.5.1 线性化的模型5.5.2 沿标称轨迹剖面的控制规律设计结果5.5.3 沿最陡下滑轨迹剖面的控制规律设计结果5.5.4 沿最大升阻比下滑的控制规律设计结果5.6 基于轨迹线性化的控制系统设计5.6.1 基于轨迹线性化的控制回路结构5.6.2 伪逆模型的计算5.6.3 基于轨迹线性化的俯仰控制系统设计5.7 小结第六章 TAEM 制导回路研究6.1 引言6.2 TAEM 制导系统特点6.2.1 复杂而完备的制导策略6.2.2 实时的能量预测与控制6.2.3 高度统一的制导与控制6.3 TAEM 制导策略6.3.1 能量的相关概念6.3.2 能量管理的思想6.3.3 纵向制导策略6.3.4 横侧向制导策略6.4 TAEM 制导回路结构与制导规律设计6.4.1 高度控制回路6.4.2 滚转控制6.4.3 航向跟踪控制6.4.4 航迹跟踪控制6.5 TAEM 任务管理模块功能描述6.5.1 进场方式与HAC 位置的确定6.5.2 S 转弯的判断与转弯方向6.5.3 飞行阶段管理6.5.4 制导回路的选择6.6 制导回路的性能分析6.6.1 制导鲁棒性的概念6.6.2 制导策略的鲁棒性分析6.6.3 制导规律的鲁棒性6.7 小结第七章 自动着陆轨迹设计技术研究7.1 引言7.2 自动着陆轨迹的特点与设计方法概述7.2.1 自动着陆轨迹剖面的特点7.2.2 自动着陆轨迹设计方法概述7.3 高度剖面的形状7.3.1 高度剖面的描述7.3.2 高度剖面特征参数的计算7.3.3 轨迹剖面的特征数学描述7.4 轨迹仿真算法7.4.1 初始参数选择7.4.2 迎角的估计与计算7.4.3 动压的计算7.4.4 轨迹仿真过程7.5 自动着陆轨迹设计7.5.1 轨迹设计的初始条件和终端条件7.5.2 高度剖面特征参数7.5.3 XZERO 对轨迹剖面的影响7.5.4 起落架收放对轨迹剖面的影响7.6 自动着陆轨迹鲁棒性分析7.6.1 轨迹鲁棒性的定义7.6.2 不确定性因素与范围7.6.3 轨迹鲁棒性分析方法7.6.4 着陆点特性分析7.6.5 阻力系数的不确定性7.6.6 初始状态的不确定性7.7 小结第八章 无动力投放自动着陆制导技术研究8.1 引言8.2 自动着陆制导与控制系统的特点8.2.1 无动力投放着陆与自适应制导技术8.2.2 高精度的纵向轨迹跟踪控制8.3 无动力投放自动着陆制导策略8.3.1 稳定下滑段8.3.2 捕获段8.3.3 自动着陆段8.4 捕获段基于高度剖面在线生成的自适应制导8.4.1 飞行走廊8.4.2 高度剖面设计8.4.3 动压剖面设计8.4.4 投放区域8.5 制导与控制回路结构8.5.1 任务管理模块8.5.2 自动着陆段制导与控制回路结构8.6 制导回路性能分析8.6.1 自动着陆段标称状态的非线性仿真8.6.2 自动着陆段制导回路鲁棒性分析8.6.3 无动力投放自动着陆自适应制导性能分析8.7 小结第九章 半物理实时仿真验证9.1 引言9.2 半物理实时飞行仿真环境9.3 RLV 制导与控制系统的综合9.3.1 飞行阶段的管理9.3.2 制导回路的选择9.4 全飞行过程的仿真结果9.5 无动力投放自动着陆的仿真结果9.6 小结第十章 总结与展望10.1 本文的主要研究内容与贡献10.2 需进一步的研究工作参考文献致谢在学期间的研究成果及发表的学术论文
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