由探测制导与控制技术谈飞控系统的发展.doc

由探测制导与控制技术谈飞控系统的发展
朱子辉 航空航天学院 2015190201019
【摘要】：探测制导与控制技术，一项高级科学工程技术，其内容主要涉及探测、制导、控制三个方面，每个方面又包括许多分支。飞控系统作为控制方面的一支，具有高度的国防特色，与探测制导与控制技术紧密相关。了解其基础内容、发展现状、未来趋势，对丰富个人知识储备，尽早明确个人发展方向有着极大帮助。
【关键词】： 探测制导与控制技术；飞行器；飞行器控制系统；高超声速飞行器；
一、 引言
探测制导与控制技术专业，是涉及航空、航天、武器制造等很多领域的一门学科,培养掌握目标探测与识别、导引与控制，以及制导武器系统设计等基本理论和基本技能,具备从事信息科学研究、系统工程设计、电子信息技术与军事应用等方面的基本能力，能在国防尖端武器及电子信息领域从事研究、设计、制造及其技术管理的高级工程技术人才。其方向大致分为探测、制导、控制三个方向。由于该专业具有高度的国防特色，结合自身兴趣方向，本文将主要谈论本专业在飞行器控制系统方面，尤其是在歼击机飞控系统方面的作用和发展方向。
二、 探测制导与控制技术专业中有关控制技术的内容简介
（一） 探测制导与控制技术
探测制导与控制技术是教育部在1988年颁布的新专业，是由原来的鱼雷飞雷工程、火控与指挥系统工程、引信技术、飞行器制导与控制四个专业归并而成。专业调整的目的是充实扩大专业内涵，内容增加至包括探测与识别、制导与控制、控制工程在内的专业课程。该本科专业根据学校设置的不同分为电子方面和航天方面，但是多数院校倾向于电子方向的培养。该专业毕业的学生主要到有关科研单位、高等学校、生产企业和管理部门从事系统设计、技术开发、产品研制、实验测试和科技管理等方面的工作。
电子方面：本专业培养具备目标及环境的探测、识别、跟踪、定位、制导与控制、安全与起炸控制以及机电控制和传感检测等方面的基础理论知识和工程实践能力，能在有关科研单位、高等学校、生产企业和管理部门从事系统设计、技术开发、产品研制、实验测试和科技管理等方面工作的高级工程技术人才。
航天方面：培养能够综合运用电子工程、控制理论、系统仿真技术的能力，掌握航天器和无人航空器探测、制导与控制的基础知识和专业知识，具有较强创新精神，能从事航天航空制导、导航与控制电子综合系统、飞行器控制系统设计的高级工程技术人才和研究人员。
主干学科：机械工程、电子科学与技术、控制科学与工程、自动控制原理；
电子方向主要课程：机电系统设计、中近程探测与识别技术、现代控制理论、制导与控制原理及系统、传感与检测技术、模式识别与智能控制、GPS与抗干扰技术、武器探测、制导与控制系统分析与设计、系统建模与仿真技术等；
航天方向主要课程：机械设计基础、电路分析基础、模拟电子技术基础、单片机原理、网络技术基础、自动控制理论、计算机控制、控制元件及伺服系统、系统仿真技术、航天器控制原理、导弹控制原理、导引系统原理、现代控制理论、智能控制、航天技术基础、现代航天测控原理、卫星轨道动力学、航天器飞行控制与仿真、卫星导航原理与应用、飞行力学、最优滤波与卫星组合导航等。
（二） 控制
探测制导与控制技术中包含的控制相关的内容，即在飞行器发射后、抵达目标前，通过远程或自动操作，使得飞行器的飞行姿态、飞行轨道按情况不同做出相应改变的方法。现代控制技术是以工程领域内的控制系统为主要研究对象，采用现代数学方法和计算机技术、电子与通讯技术、测量技术等，研究系统的建模、分析、控制、设计和实现的理论、方法和技术的一门综合科学，其内容不仅涉及探测制导与控制技术这一门专业，还包括自动化，控制理论与控制工程，机电控制，智能控制等许多其他相关专业。
三、 飞行器控制系统
（一）飞行器种类
由于飞行器的种类繁多，其功能、作用、使用目的也不同，对应的飞控系统自然也相应不同。因此在讨论飞控系统前，首先要明确飞行器的大体种类及特点。
飞行器，即在大气层内或大气层外空间（太空）飞行的器械。飞行器分为3类：航空器、航天器、火箭和导弹。在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。在空间飞行的飞行器称为航天器，如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空，然后在引力作用下完成轨道运动。火箭是以火箭发动机为动力的飞行器，可以在大气层内，也可以在大气层外飞行。导弹是装有战斗部的可控制的火箭，有主要在大气层外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空导弹、巡航导弹等。另外，在近几年，无人飞行器，超高声速飞行器等新兴飞行器迅猛发展，
（二） 不同种类飞行器应用的飞控系统的特点简介
由于飞行器种类比较复杂，此处仅以导弹和民航客机为例，进行简单说明。
对于导弹，尤其是精确制导类导弹，飞控系统起着举足轻重的作用，将其与惯性制导手段结合，才能实现精确打击，完成战略目标。以某款航空时敏制导炸弹模拟系统的工程研制为背景，针对制导炸弹飞控系统的战术指标需求,基于TMS320C6748DSP为核心的嵌入式硬件平台和嵌入式实时操作系统DSP/BIOS,开展了飞控系统的制导律、控制律和飞控逻辑的设计工作。在此基础上,采用分层和模块化设计思想,独立完成了飞控软件的设计开发和调试工作。最后结合工程的研制进程,进行了对应的半物理仿真试验,以测试和验证飞控软件设计的正确性和合理性。
民航客机则完全不同。以大型客机Ａ３２０、Ｂ７３７和新型客机Ａ３８０、Ｂ７８７的飞控作动系统配置为例，为３套独立液压系统＋ｌ套电系统（３Ｈ＋Ｅ）方案，及相应的作动系统配置方案。其飞控作动系统的发展趋势为高度集成化、功率电传化、信号光传化、液压高压化和智能化。
四、 超高声速飞控系统发展趋势
高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器,具有较高的突防成功率和侦查效能,能大大扩展战场空间。
与常规飞行器相比,高超声速飞行器采用的是机身/发动机一体化技术,从而使得高超声速飞行器的推进系统与结构动态之间存在强耦合,其模型呈现出高度的非线性特征,并且模型还存在有大量的不确定气动参数。此外,高超声速飞行器在大马赫数和高海拔的条件下飞行,外界扰动和未知因素的扰动十分显著,从而影响了飞行的稳定性。这些因素给高超声速飞行器模型的确定和控制系统的设计带来了前所未有的挑战，因而造成了此类飞行器飞控系统的极大不同。
其一，提出了近空间飞行器姿态运动协调控制的设计方法，将非线性广义预测控制（NGPC）方法用于系统的协调控制器设计中，通过理论分析和仿真验证表明了该种方法来解决姿态运动协调控制问题的优化性能。随后，分别设计了基于滑动模干扰观测器的非线性广义预测控制和基于在线支持向量回归机的非线性广义预测控制来实现近空间飞行器姿态运动的鲁棒自适应协调控制，采用Lyapunov方法对这两种方案的闭环稳定性进行了分析，仿真结果验证了其良好的控制效果。其二，基于飞行/推进一体化设计思想，提出了通过综合气动舵面和发动机推力的协调控制来实现对纵向轨迹的跟踪，将所设计的滑动模广义预测控制（SGPC）用于纵向运动飞行/推进协调控制器的设计中，通过理论推导和仿真分析验证了其非线性优化性能和一定的鲁棒性。进一步，针对近空间飞行器纵向运动的飞行/推进鲁棒自适应协调控制，提出了基于有限样本在线SVR的滑动模广义预测控制和模糊自适应滑动模广义预测控制方法，来完成对飞行速度和飞行高度的鲁棒跟踪。通过Lyapunov方法进行了闭环性能分析，仿真得到了满意的控制效果。其三，基于分层递阶控制的思想，提出了NSV纵向运动的姿态/轨迹协调控制系统的设计方法。采用非线性广义预测控制和改进型滑动模干扰观测器设计了该系统各回路的非线性控制器和鲁棒自适应控制器，对控制性能进行了理论分析和仿真验证，达到了保证姿态平稳的状态下的轨迹控制这一要求。
五、 结论
对于提高未来空间探索能力和军事防御能力，近空间飞行器具备重要的战略价值，对其开展研究工作有着深远的意义。飞控技术作为其中的一项重要组成部分，自然十分重要。探测制导与控制技术专业有许多从事飞控系统设计工作所需的相关知识，通过认真系统地学习，能够掌握大部分学科基础课程，为未来投身飞控系统相关的工作打下基础。
参考文献
[1] 林子扬. 山药鲜明国防特色——探测制导与控制技术[J]. 考试与招生，2014,Z1:42.
[2] Yhqsdjx. 飞行器的分类[B].
2010,1223.
[3] 王积伟. 控制理论与控制工程[M]. 机械工业出版社，2010,2 1. 5-6.
[4] 孙北宛. 飞控系统[B].
2011,12,12.
[5] 原义琴. 航空时敏制导炸弹飞控软件设计与实现[B].
2014.2,1.
[6] 陈云霞,段朝阳. 飞控系统最坏情况分析方法研究[J]. 航空学报, 2005,05: 647-651.
[7] 褚2005. 高超声速飞行器[B]. 2014,3,27.
[8] 沈磊. 民用飞机电传飞控作动系统设计与工程运用[B].
2012,10,25.
作者简介：电子科技大学航空航天学院15级学生朱子辉,
致 谢：电子科技大学航空航天学院秦开宇院长，电子科技大学航空航天学院严尧老师，电子科技大学航空航天学院李滚老师，电子科技大学航空航天学院谢晓梅老师。