面向安全灵活的高超声速飞机智能控制策略研究

The project proposes a safety and flexiblilty oriented intelligent control strategy for hypersonic aircraft considering the direct lift/side force control. We focus on the safe and flexible trajectory tracking of hypersonic aircraft under guidance/attitude ring control and direct trajectory tracking control. We aim to solve the bottleneck problems by using new methods in intelligent control. This project innovatively proposes a real-time intelligent decision-making method with self-learning ability to ensure the optimal control mode of hypersonic aircraft considering its flight demand and control characteristics. To ensure accurate modeling of hypersonic aircraft, a model characteristics analysis method based on high-precision numerical simulation and a control-oriented modeling method based on Lyapunov theory and sensitivity analytical are proposed. The guidance/attitude ring control is realized by online precision guidance and attitude tracking control, which guarantees the safety and stability trajectory tracking control of hypersonic aircraft. An integrated fixed-time observer and controller design method and a rudder surface intelligent distribution method are proposed to realize the direct trajectory tracking control, which ensure the fast and flexible trajectory tracking control of hypersonic aircraft. This project expects to establish a theoretical system which has the prospect of real application in the fields of intelligent control for hypersonic aircraft. This theoretical system can improve the reliability, stability, flexibility and autonomy of the hypersonic aircraft and provide scientific theoretical support for the development of related technologies in our country.

项目考虑高超声速飞机的直接升/侧力控制，提出面向安全灵活的智能控制策略。以制导/姿态分环控制与直接轨迹跟踪控制下的高超声速飞机安全灵活轨迹跟踪为研究重点，通过智能控制新理论新方法解决其中的瓶颈问题。创新性地提出具备自学习能力的实时智能决策方法，确保高超声速飞机根据飞行需求与控制特点智能决策最优控制方式；提出基于高精度数值仿真的直接升/侧力特性分析以及基于李雅普诺夫理论和敏感性分析的面向控制建模方法，确保高超声速飞机的精确建模；提出基于在线精确制导以及姿态跟踪控制的制导/姿态分环控制方法，确保高超声速飞机安全稳定轨迹跟踪控制；提出基于固定时间观测器-控制器综合设计以及舵面智能分配的直接轨迹跟踪控制方法，确保高超声速飞机快速灵活轨迹跟踪控制。本项目将建立一套具有工程应用前景的高超声速飞机智能控制理论体系，提高系统的可靠性、稳定性、灵活性和自主性，为我国相关技术发展提供科学理论支撑。

高超声速飞机直接力控制是当前航空航天领域研究的重点和热点问题。本课题以实现高超声速飞机可靠、稳定、灵活、自主飞行为目的，对面向安全灵活的智能控制问题进行研究。主要研究内容包括以下几个方面：首先，研究直接升/侧力特性分析、气动力建模以及面向控制建模方法，获得准确的面向控制模型，为不同控制方式的实现提供依据；其次，考虑高超声速飞机安全稳定的飞行需求，研究在线精确制导与自适应姿态跟踪控制方法，实现制导-姿态分环控制；再次，考虑高超声速飞机快速灵活的飞行需求，在不改变姿态角的情况下，研究固定时间观测器-控制器综合设计与控制舵面智能分配，实现直接轨迹跟踪控制；最后，根据高超声速飞行器的安全灵活飞行需求，考虑制导-姿态分环控制的安全稳定性特点以及直接轨迹跟踪控制的快速灵活性特点，研究智能决策网络离线学习与在线调整方法，在不同飞行条件下实时决策出最优控制方式。通过该课题研究获得的主要结果体现在以下几个方面：（1）完成了基于高精度数值仿真的直接升/侧力特性分析以及面向控制建模，提升高超声速飞机系统的可靠性；（2）完成了基于进化算法与预测校正的在线精确制导以及基于自适应多变量超螺旋滑模的姿态跟踪控制，提高了系统的稳定性；（3）提出了用于实现固定时间收敛的观测器-控制器综合设计策略与控制舵面智能分配方法，提高了系统的灵活性；（4）完成了基于强化学习的决策网络离线学习与在线调整策略。基于上述研究成果，申请发明专利3项，软件著作权1项，发表学术论文17篇，其中SCI检索11篇，EI检索4篇，完成了预期目标。课题研究成果，对其他类型飞行器的直接力控制问题具有重要的理论意义与实际意义。