飛艇系統(tǒng)控制策略分析

地球被一圈很厚的大氣層包圍，大氣層可以分為對流層、平流層、中間層、暖層和散逸層，其中平流層空氣稀薄、氣流比較平穩(wěn)、垂直溫度梯度小，是一個可用于空中部署的比較理想的區(qū)域。當(dāng)前，平流層平臺有3個主要的研究趨勢，即有人攜帶設(shè)備高空駐留、無人機(jī)和浮空器。浮空器顧名思義即為輕于空氣的浮空器，其升力大部分來自氣囊內(nèi)輕于空氣的氣體的浮力。浮空器的典型代表為飛艇。飛艇最大的特點就是生存能力強(qiáng)，適用的范圍廣泛。

與傳統(tǒng)的無人機(jī)相比，飛艇龐大外形帶來的天然優(yōu)勢非常明顯。在執(zhí)行情報、監(jiān)視與偵察等任務(wù)時，飛艇具有更高的效率。由于飛艇所受的靜浮力比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無人機(jī)，而且體積龐大，可以攜帶大量的太陽能電池板，所以飛艇可以克服能源和機(jī)械的限制，長時間地停留在空中，能實現(xiàn)長時間持續(xù)執(zhí)行任務(wù)。與此同時，飛艇所受的浮力比例也使得飛艇起飛不需要長跑道，比傳統(tǒng)的無人機(jī)具有更強(qiáng)的靈活性。與傳統(tǒng)的飛行器相比，無人飛艇可以由雷達(dá)吸收材料或者軟式材料構(gòu)成，在高空中很難被敵方發(fā)現(xiàn)，而且飛行高度也超出了大多數(shù)導(dǎo)彈的射程，較無人機(jī)相比擁有安全性，在小范圍的近距離觀察區(qū)域，飛艇具有更好的實用性。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

飛艇在早期發(fā)展時，有很長一段時期處于概念研究和方案預(yù)估階段。從20世紀(jì)90年代末期開始，國際和國內(nèi)逐漸掀起了飛艇研究的熱潮。美國、英國、俄羅斯、日本等實施了一系列計劃，大大地推動了包括飛艇在內(nèi)的浮空氣飛行器的發(fā)展，也引起了國內(nèi)飛艇研究的浪潮。

在傳統(tǒng)飛艇研究領(lǐng)域，美國始終處于領(lǐng)先地位。相關(guān)的實驗室一直對飛艇進(jìn)行研究，而且還將研究領(lǐng)域延伸到矩形飛艇、高空飛艇觀測平臺上。在經(jīng)歷了9？11事件、阿富汗戰(zhàn)爭和第二次海灣戰(zhàn)爭后，出于國土安全以及反恐的需求，美國提出了航天器與陸?？昭b備無縫銜接的操作平臺的概念。2002年，美國導(dǎo)彈防御局（MDA）提出在“先進(jìn)概念技術(shù)演示”（ACTD）中建造“軍用高空飛艇”，主要是用于停留在美國大陸周邊監(jiān)視威脅美國本土的導(dǎo)彈目標(biāo)?！案呖丈诒憋w艇應(yīng)運而生，并于2005年11月飛行測試成功。與此同時，美國航空航天局（NASA）和Sanswire公司也針對外星觀測和通信等需求研制出相應(yīng)飛艇并投入使用。

英國飛艇研究也始終處在世界前列，“天舟”（Skyship）500和“天舟”600系列飛艇是現(xiàn)代飛艇的典型代表。同時，在民用方面，飛艇的應(yīng)用處于時代的前列，如英國飛艇工業(yè)公司設(shè)計的特種發(fā)光軟式飛艇A-60S用于廣告宣傳等方面。

俄羅斯在飛艇研制方面也居世界領(lǐng)先地位。從20世紀(jì)90年代至今，俄羅斯相繼研制出“科學(xué)靜力”01/02和半硬式多用途Au-30飛艇，其性能優(yōu)于當(dāng)時歐美國家同期的型號。目前，俄羅斯軍方對飛艇研究興趣濃厚，并獲批專項資金用于軍用飛艇研究。

日本科技廳和郵政廳推動了SPF計劃，由國立航空研究所（現(xiàn)已合并到JAXA）承擔(dān)平流層飛艇的研發(fā)，并于2005年進(jìn)行了縮比飛艇（長約64m）的飛行試驗。

我國飛艇研究起步比較晚，直到1976年才被審批通過。目前，國內(nèi)許多家單位都在進(jìn)行飛艇的研究工作，如航空工業(yè)特種飛行器研究所、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院等均取得了一定的研究進(jìn)展。2012年10月13日2點10分，我國首個軍民通用新型臨近空間平臺“圓夢號”在內(nèi)蒙古錫林浩特成功放飛?！皥A夢號”是全球首次具備持續(xù)動力、可控飛行、重復(fù)使用能力的臨近空間飛艇，也是首次向企業(yè)和個人用戶提供商業(yè)服務(wù)的飛艇。本次飛行搭載了客戶的寬帶通信、數(shù)據(jù)中繼、高清觀測、空間成像和空中態(tài)勢感知等系統(tǒng)。

飛艇控制的關(guān)鍵技術(shù)

對飛艇系統(tǒng)進(jìn)行控制，通常分3部分，即飛艇的姿態(tài)控制、航跡控制以及區(qū)域駐留控制方法。

飛艇姿態(tài)控制

姿態(tài)控制是飛行器穩(wěn)定飛行最基本的控制要求，是保證穩(wěn)定飛行的關(guān)鍵。姿態(tài)控制成為飛艇飛行控制的重點，這是由于平流層飛艇姿態(tài)運動具有非線性、通道耦合、不確定等特點，而且容易受外界擾動影響。飛艇姿態(tài)控制通常采用PID控制、滑?？刂坪头答伨€性化控制方法。

傳統(tǒng)的PID控制，具有最穩(wěn)定的控制性能，對于任意系統(tǒng)適應(yīng)性和可靠性較強(qiáng)，可以保證飛艇的飛行可靠性。在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化后，系統(tǒng)提高參數(shù)攝動和工況變化的魯棒性。離散滑?？刂品椒ㄒ脖粦?yīng)用于飛艇姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)為非線性的，考慮到非線性因素及各通道之間的耦合作用，俯仰姿態(tài)的跟蹤誤差相對較少，使得飛艇更加精確地對期望姿態(tài)進(jìn)行跟蹤。由于飛艇為非線性系統(tǒng)，從應(yīng)用廣泛性和實用性方面，反饋線性化方法是一種有效的非線性控制系統(tǒng)設(shè)計方法。該方法通過非線性反饋和坐標(biāo)變換使非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性系統(tǒng)，然后應(yīng)用線性理論對該線性系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計，從而簡化了系統(tǒng)控制問題。通過反饋線性化方法和滑膜控制方法設(shè)計出飛艇姿態(tài)控制律結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)按指數(shù)規(guī)律使系統(tǒng)輸出跟蹤指令姿態(tài)角，其中，系統(tǒng)對模型不確定和外界擾動的魯棒性是通過魯棒控制方法來實現(xiàn)的。

飛艇航跡控制

航跡控制，即為對飛行器質(zhì)心運動的控制。在飛行過程中，為完成各項飛行任務(wù)，飛行器需按指定航跡飛行。平流層飛艇的空間運動具有非線性、通道耦合、模型不確定、易受外界擾動等特點，該特性使航跡控制成為飛行器飛行控制的難點之一。根據(jù)是否以時間為參考變量，飛艇的航跡控制分為軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制。對于飛艇來說，飛艇的航跡控制方法主要為傳統(tǒng)的PID控制、動態(tài)逆控制和智能模糊控制等方式。

PID控制作為常規(guī)方法來控制這些飛行狀態(tài)所對應(yīng)的控制器，同時對不同飛行狀態(tài)之間的控制切換策略進(jìn)行分析。采用PI控制方法和PID控制方法較為簡單，易于工程實現(xiàn)。動態(tài)逆控制方法可以對飛艇航跡控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并在系統(tǒng)參數(shù)時變和外界干擾條件下驗證控制系統(tǒng)的魯棒性。但上述研究工作存在局限性，這些方法均為針對線性模型設(shè)計控制系統(tǒng)，并未考慮縱向運動和橫側(cè)向運動之間的耦合作用，在運算時通常對橫縱向運動方程進(jìn)行解耦以便于運算。針對飛艇空間運動模型多變量、非線性、不確定等特點，智能滑?？刂品椒▽⒒？刂婆c智能控制相結(jié)合，利用智能控制的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織等功能使滑模控制能夠根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)自動調(diào)節(jié)控制輸出，從而實現(xiàn)了非線性控制，減少了由于解耦帶來的控制誤差。其中，滑?？刂仆ㄟ^設(shè)計適當(dāng)?shù)那袚Q流形和變結(jié)構(gòu)控制律，使得系統(tǒng)的狀態(tài)軌線在有限時間內(nèi)到達(dá)所設(shè)計的切換流形并以適當(dāng)?shù)乃俣葷u近滑向平衡點，從而保證系統(tǒng)具有預(yù)定的性能指標(biāo)，具有較好的應(yīng)用前景。

飛艇區(qū)域駐留控制

與傳統(tǒng)飛行器相比，平流層飛艇的主要應(yīng)用優(yōu)勢是在目標(biāo)區(qū)域上空長期駐留，以完成對地觀測、偵察監(jiān)視、通信中繼和災(zāi)害監(jiān)測等各類任務(wù)。區(qū)域駐留是平流層飛艇特有的工作模式。區(qū)域駐留控制是指控制飛艇在某一空域相對地面目標(biāo)區(qū)域保持位置不變，當(dāng)飛艇在外界擾動下偏離駐留位置時，則需要在控制系統(tǒng)作用下回到原駐留位置并保持不變。其中，模型不確定和外界擾動增加了區(qū)域駐留控制的難度，因此，區(qū)域駐留控制成為平流層飛艇工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。在過去的研究中，多種控制算法被應(yīng)用到飛艇駐留控制當(dāng)中。

傳統(tǒng)的PID控制方法設(shè)計的高空飛艇的區(qū)域駐留控制系統(tǒng)能夠滿足區(qū)域駐留控制要求。但相比于傳統(tǒng)的控制方法，遺傳算法控制和反饋線性化控制也可以滿足相應(yīng)要求，并且較傳統(tǒng)方法有相應(yīng)的改進(jìn)。例如，采用遺傳算法尋優(yōu)的最短時間開環(huán)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)側(cè)重于時間最短的控制性能；采用反饋線性化方法設(shè)計閉環(huán)控制系統(tǒng)，引入航跡反饋信號，提高了系統(tǒng)對參數(shù)攝動的魯棒性。此外，對于飛艇區(qū)域駐留控制系統(tǒng)，可以經(jīng)過算法優(yōu)化，駐留控制問題轉(zhuǎn)化為非線性多目標(biāo)優(yōu)化問題，進(jìn)而可以借鑒遺傳算法等求出最優(yōu)解來解決區(qū)域駐留的現(xiàn)實問題。

結(jié)論

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以得到以下結(jié)論：（1）平流層飛艇誘人的應(yīng)用前景促使其成為國內(nèi)外發(fā)展的熱點，推動了有關(guān)的動力學(xué)與控制研究；（2）現(xiàn)有動力學(xué)與控制研究重點主要集中在對軟式飛艇進(jìn)行研究；（3）飛艇動力學(xué)與控制方面已發(fā)表大量文獻(xiàn)，但現(xiàn)有研究比較偏重于氣動影響。實際上，平流層飛艇還涉及多種新的空氣動力學(xué)問題，包括熱、浮力與氣動的強(qiáng)耦合、晝夜外形變化、發(fā)射與回收過程中的突風(fēng)帶影響、風(fēng)切變干擾等，然而現(xiàn)有研究綜合考慮氣動、靜力、熱力和結(jié)構(gòu)耦合影響的動力學(xué)與控制研究成果仍較少。

目前，國內(nèi)外許多平流層飛艇工程發(fā)展計劃進(jìn)展緩慢，一個重要原因就是缺乏針對性的基礎(chǔ)理論和方法研究。在把飛艇潛在應(yīng)用的美好憧憬變成客觀現(xiàn)實之前，有兩個重要問題必須解決：第一，如何才能“上得去、回得來”？第二，如何確保在留空期間為有效載荷高性能工作提供滿意的航跡、平穩(wěn)的姿態(tài)和精準(zhǔn)的指向？這給動力學(xué)與控制研究帶來一系列難題。

（責(zé)任編輯：朱赫）