平流层可重复使用长航时飞艇综合建模与优化协调控制

This project focuses on the urgent need of near-space long lasting information assurance carriers for the National Space Information Network Innovation Planning Strategy, and it aims to break through the critical bottleneck caused by strong disturbance and weak-actuated that the stratospheric airship faces in long endurance reliable operating and in the whole process of take off, stay, and return. It will deeply study several key issues, including comprehensive modeling of multi-field coupling complex system for stratospheric airships; dynamic characteristics and stability analysis; maneuverability analysis, actuator configuration integrity and its optimization approaches; coordinated control method and its optimal allocation strategies. Also, simulation tests, flight tests, and application verification will be taken for these issues. With theoretical exploration and applied fundamental research on some key scientific problems in identification methods for the system and environmental impact models; the mechanism of input-output propagation and response for the stratospheric airship complex coupling system; and characteristic modeling coordination control strategy based on coordination control strategy, etc., this project will provide theoretical support and technical assurance for possible major engineering breakthroughs of stratospheric long endurance airships in dynamics and control science.

本项目着眼于国家空间信息网络创新规划战略对临近空间持久信息保障载体的紧迫需要，旨在突破平流层飞艇长航时可靠运行与升驻返全过程安全控制面临的强扰动与弱驱动这个关键瓶颈，深入开展平流层飞艇多场耦合复杂系统综合建模；飞行动力学动态特性及扰动分析；操纵机理、执行器配置能力及优化途径研究；协调控制方法及其优化分配策略探索；的研究，并进行仿真测试及飞行试验应用验证，通过在环境同系统多场耦合模型的参数确定方法、平流层飞艇复杂耦合系统输入输出传播响应机理、基于扰动预测的特征模型协调控制策略等关键科学问题上开展理论探索和应用基础研究，以便在动力学与控制科学上为平流层飞艇可往返持久驻空的重大工程突破提供理论支撑与技术保证。

国家高分重大专项、《“十三五”国家科技创新规划》都明确提出要发展临近空间技术，提升临近空间持久信息保障能力。.进行了建模和扰动影响分析、总体优化设计、飞行任务辅助决策规划、自抗扰及基于特征模型控制理论方法及其应用、协调容错控制及控制优化分配、平流层环境空速风速原位测量、大气热飞行器主动相变装置可操纵性、等研究：.在飞艇气动建模方面建立了一种动导数与附加质量的新融合方法；在外部风场影响分析方面，对来流作用于不可压缩流中运动物体气动力影响的一些经典结果进行了更正；在内部气体晃动影响分析和内外耦合建模方面，揭示了内部气体晃动引起平流层飞艇升空段浮心变化的规律，进而能够准确预测俯仰姿态。.基于耦合对飞艇浮心位置和俯仰姿态变化的影响机理进行平流层飞艇总体优化设计方法。.提出空中安全走廊远程规划方法和三维航迹规划方法，为进行飞行任务辅助决策提供依据；考虑风场环境紧耦合进行飞行任务辅助决策规划。.解释了二阶线性自抗扰控制常常表现优于PID控制的原因，并将自抗扰控制用于飞艇的高空飞行控制研究中；提出特征模型结合自适应控制和数据驱动方法，用于解决强干扰、变参数给平流层飞艇控制带来的困难。.建立了混合异类执行器的加权复合操纵机理模型，采用加权伪逆法实现故障下的快速重构分配。.提出了一种可在高空稀薄大气环境下估计平流层飞艇飞行性能参数的方法和系统，并研制出平流层环境空速风速原位测量原理样机，并通过搭载飞行验证。.提出带相变调节气囊的浮空器安全压差保持与高度调节协调控制新方法，研制出相变操纵原理样机并通过环境测试。.部分成果通过相应应用和测试行验证-应用在非成形升空平流层飞艇，实现XX天的驻留控制，在全球首次突破临空飞艇跨月级驻空；应用在成形升空平流层飞艇控制，驻空高度和实际均超过国外最好指标。.本项目在动力学与控制科学上为控制关键技术设计提供理论支撑与方法指导，在一定程度上为平流层飞艇可往返持久驻空的工程实现具有指导意义。