特征建模的理论、方法和应用

This project "Research on theories, methodologies and applications of the characteristic model" belongs to the research field “Theories and methodologies in modeling based on plant characteristics and control objectives”, which is the first topic in the group of key projects titled “New theories and new methodologies in modeling and verification of engineering systems”. Motivated by the high performance control demands of hypersonic flight vehicles and the rendezvous and docking of spacecrafts, this project focuses on characteristic extraction of complex dynamics, theories and methodologies of characteristic modeling, parameter identification of fast changing characteristic model, with particular focus on state-related identification method, and the intelligent adaptive control based on characteristic model including the stability analysis and the simulation platform. Through the above research efforts, a more complete characteristic modeling methodology as well as a systematic modeling procedure is expected. This project is an innovative and original research with theoretical significance and practical engineering value. The research findings of this project will provide innovative theoretical basis and technical supports for both the hypersonic vehicles and the rendezvous and docking of spacecrafts. Meanwhile, it will further narrow the gap between the control theories and their engineering applications, which has great application potentials and contributes significantly to the modern control science, the national defense and the economic development.

本项目“特征建模的理论、方法和应用”属指南优先资助重点领域“工程系统建模与验证的新理论和新方法”重点项目群中第一个研究方向的“面向对象特征与控制目标的建模理论与方法”。本项目将以高超声速飞行器和交会对接复杂对象的高性能控制为背景，重点研究复杂对象动力学特征提取；特征建模的理论和方法；特征模型参数快速辨识理论和方法，突破与状态相关的参数辨识问题；基于特征模型的智能自适应控制理论和方法，稳定性分析及仿真验证平台等。通过上述研究，完善特征建模体系和建立一套较完整的特征建模理论和方法。该项目研究是完全新型的原创性研究，具有重要的理论意义和工程应用价值：该项目研究成果将为高超声速飞行器和交会对接控制提供一种新的理论依据与技术支撑，本项目研究将推动控制理论与应用的结合，为控制科学的发展做出贡献，对国防事业和经济发展都有重要意义和广阔应用前景。

在特征建模理论方面，提出了6种特征建模新理论方法，针对开环不稳定对象，提出了零点补偿的特征建模理论和方法；2种参数估计方法，提出了快变参数估计的新方法，解决了高超声速飞行器特征建模中快变参数估计问题；2种自适应控制方法；在一定条件下，证明了基于特征模型的黄金分割自适应控制器与原实际对象组成的闭环系统的稳定性，在解决这一世界性控制理论难题的进程中获得了突破性进展，特别有意义的是发现了特征建模理论的哲学价值和普遍意义，特征建模是智能控制的一种最基础研究。.在工程应用方面，已应用于包括月球返回再入控制在内的7类实际工程（获5项应用证明），在2类重大工程中进行了成功仿真（高超声速飞行器和无拖曳卫星控制）。月球返回再入控制面临着诸多控制难题。首先，强不确定性问题，包括，初始运动状态如位置、速度的不确定性，动力学参数如气动系数、升阻比、航天器质量、等效参考面积的不确定性，外部环境如大气密度、大气温度的不确定性；第二，航天器再入时间有限；第三，控制约束问题，包括，由小升阻比特性和倾侧角控制原理导致的再入控制能力有限的控制约束，过程约束如最大过载约束，高精度终端要求如开伞点精度要求，第四，返回再入要求精度较高。因此，月球返回再入长期以来一直是国际航天界公认的技术难题。针对嫦娥五号月球-地球轨道跳跃式再入返回制导和控制的研究和设计问题，项目组成员胡军等提出了基于一阶特征模型的自适应预测制导方法。首先对被控对象进行标称时变动态增益变换，建立广义被控对象，然后建立广义对象的一阶特征模型，进而针对该一阶特征模型，设计了相应的参数估计和自适应控制方案。嫦娥五号飞行试验器在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆，开伞点精度509米（美国阿波罗飞船700多米），再入控制精度达到国际领先水平。.项目组获国家技术发明奖一等奖1项，国防技术发明奖一等奖1项和中国航天科技集团公司技术发明一等奖1项，获专利8项，发表论文94篇，出版专著2部，培养博士生10名，硕士15名，博士后5名。