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| 編輯推薦： |
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本书介绍了目前舰载机全自动着舰控制方面的前沿技术，可为读者提供面向控制系统设计的技术参考。
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| 內容簡介： |
舰载机全自动着舰技术是航母/舰载机系统的关键和难点，它可以有效提升航母编队作战能力。本书以固定翼舰载机为研究对象，从基于非线性控制理论，舰载机全自动着舰环境及流程、全自动着舰引导、全自动着舰控制、全自动着舰视觉伺服控制、舰载机故障诊断、舰载机自适应容错控制等方面进行了全面翔实的分析、设计、数值验证及缩比试飞验证。本书内容面向飞行器控制工程实践，也包含了引导与控制、视觉伺服控制、故障诊断、容错控制、缩比试飞等学术领域研究热点，兼顾工程可用性与技术先进性。
本书可作为控制科学与工程、航空宇航科学与技术等专业的高年级本科生和研究生的专业课教材，也可供有关科研人员参考。
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| 關於作者： |
郑泽伟，博士，北京航空航天大学副研究员。主持国家自然科学基金、北京市基金、航空科学基金、国家重点研发计划、国家863计划、国家科技重大专项及研究所横向课题等科研项目20余项，发表学术论文80余篇，3篇入选ESI高被引论文，授权和申请国家发明专利10余项。
马云鹏，北京航空航天大学硕士生导师。参与承担并完成国家“863”项目4项，主持国防预研项目3项，获得军队科技进步三等奖3项，发表论文18篇，已获授权国家发明专利3项。
关智元，北京航空航天大学博士，主要从事全自动着舰导航与控制相关工作。参与国家自然科学基金、北京市基金、国家科技重大专项、研究所横向课题等科研项目10余项。研究方向包括舰载机全自动着舰引导与控制、非线性容错控制，已发表学术论文10余篇，已获授权国家发明专利1项。
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| 目錄：
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1.2 舰载机着舰系统及关键技术 2
1.2.1 舰载机着舰系统发展现状 2
1.2.2 舰载机引导技术 4
1.2.3 舰载机姿态控制技术 7
1.2.4 进场功率补偿技术 12
1.2.5 舰艉流抑制技术 13
1.2.6 甲板运动补偿技术 13
本章小结 16
第2章 全自动着舰模型及任务分析 17
2.1 舰载机运动与动力学模型 17
2.1.1 基本假设与坐标系定义 18
2.1.2 舰载机运动学与动力学方程 19
2.1.3 舰载机非线性仿射形式方程变换 22
2.2 航母甲板运动模型 23
2.3 舰艉流扰动模型 24
2.3.1 自由大气紊流分量 24
2.3.2 舰艉流稳态分量 25
2.3.3 舰艉流周期分量 25
2.3.4 舰艉流随机分量 25
2.4 全自动着舰流程及任务分析 26
本章小结 28
第3章 非线性固定时间着舰控制方法 29
3.1 数学准备 29
3.2 固定时间引导律设计 31
3.3 固定时间内环控制律设计 33
3.4 系统稳定性分析 36
3.5 数值仿真 38
本章小结 42
第4章 基于预设性能时变矢量场的移动路径跟踪着舰方法 43
4.1 预设性能时变矢量场 43
4.1.1 问题描述 43
4.1.2 时变矢量场设计 44
4.1.3 预设性能控制增强的时变矢量场设计 46
4.2 基于预设性能时变矢量场的着舰控制器 49
4.2.1 引导律设计 49
4.2.2 内环控制律设计 51
4.2.3 系统稳定性分析 54
4.3 仿真结果 56
本章小结 60
第5章 基于三维移动路径跟踪与综合直接升力的着舰方法 61
5.1 数学准备与问题描述 61
5.1.1 符号定义 61
5.1.2 问题描述 62
5.2 基于三维移动路径跟踪的全自动着舰引导律设计 63
5.2.1 三维移动路径跟踪平动运动学误差模型 63
5.2.2 三维移动路径跟踪转动运动学误差模型 64
5.2.3 三维移动路径跟踪引导律设计 65
5.3 基于综合直接升力的全自动着舰内环控制律设计 67
5.3.1 基于综合直接升力的全自动着舰控制架构 68
5.3.2 航迹控制环 69
5.3.3 姿态控制环 71
5.3.4 速度控制环 72
5.3.5 系统稳定性分析 73
5.4 数值仿真 74
5.4.1 仿真设置 74
5.4.2 仿真结果 75
本章小结 78
第6章 基于鲁棒控制障碍函数的移动路径跟踪着舰方法 79
6.1 问题描述及控制目标 79
6.2 基于时变李导数的移动路径跟踪基准引导律设计 81
6.2.1 舰载机模型变换 81
6.2.2 移动路径跟踪基准引导律设计 82
6.3 基于鲁棒控制障碍函数的引导律设计 85
6.4 数值仿真 90
本章小结 94
第7章 基于图像视觉伺服的着舰控制方法 95
7.1 问题描述 95
7.2 基于图像视觉伺服的着舰控制器 98
7.2.1 引导律设计 98
7.2.2 内环控制律设计 99
7.2.3 系统稳定性分析 103
7.3 仿真结果 104
本章小结 108
第8章 执行器系统的扩展多模型自适应故障诊断 109
8.1 问题描述 109
8.2 扩展多模型自适应故障诊断算法介绍 111
8.3 扩展卡尔曼滤波器设计 112
8.3.1 扩展卡尔曼滤波器方程 112
8.3.2 无故障下的扩展卡尔曼滤波器设计113
8.3.3 利用故障执行器参数增广状态向量 114
8.3.4 执行器故障下的扩展卡尔曼滤波器设计 115
8.4 执行器故障隔离与诊断 116
8.4.1 滤波器残差分析116
8.4.2 执行器故障隔离117
8.4.3 基于假设检验的故障诊断 117
8.5 故障诊断模型实验结果 118
8.5.1 仿真环境及参数设置 118
8.5.2 仿真结果分析 119
本章小结 122
第9章 基于非线性自适应的容错着舰控制方法 123
9.1 问题描述及控制架构设计 123
9.1.1 问题描述 123
9.1.2 基于线性控制律的 L1自适应容错控制架构 125
9.1.3 基于非线性动态逆的 L1自适应容错控制架构 128
9.2 非线性自适应控制器设计 129
9.2.1 非线性动态逆基准控制器设计 129
9.2.2 L1自适应控制器设计 132
本章小结 134
第10章 容错着舰控制方法试飞平台设计与试验 135
10.1 缩比试飞平台设计 135
10.2 数值仿真试验 136
10.3 软件在环仿真试验 137
10.4 缩比试飞试验 140
10.4.1 PID控制方法飞行试验 140
10.4.2 L1自适应控制器无故障飞行试验 141
10.4.3 L1自适应控制器单侧副翼卡死飞行试验144
10.4.4 L1自适应控制器单侧平尾卡死飞行试验147
10.4.5 L1自适应控制器单侧机翼损伤飞行试验150
10.4.6 飞行试验小结 155
本章小结 156
参考文献
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| 內容試閱：
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舰载机是航母编队的核心，而着舰技术是舰载机系统中的关键与难点。 全自动着舰系统可在无需飞行员操纵的情况下，控制舰载机自动着舰，降低飞行员操纵负担并提高着舰成功率，是舰载机战斗力的倍增器。 相较陆基飞机着陆，舰载机全自动着舰面临控制时间短、航母甲板运动、舰艉流扰动大、着 舰区域小等难点，并且需在一定故障情况下仍能保证安全返航与着舰。 为实现安全、可靠的全自动着舰，本课题组对全自动着舰技术进行了多年研究，基 于非线性控制理论设计了多种全自动着舰方法。本书紧跟舰载机着舰前沿技术，并结合课题组近年来科研和工程实践编撰而成。
作者对已取得的研究成果进行了分析和梳理，建立了较为清晰的架构，对各章节进行了合理的安排。具体内容如下:
第1章，综述了舰载机全自动着舰系统发展历程和当前最新成果，总结了全自动着舰控制系统的关键技术，分析了国 内外研究人员在舰载机全自动着舰引导控制等方面所开展的研究工作。
第2章，建立了包括舰载机六自由度非线性模型、航母甲板运动模型、舰艉流扰动模型等在内的着舰模型，分析了全自动着舰流程，提取了全自动着舰控制设计需求。
第3章，基于舰载机非线性模型开展控制方法设计，建立了舰载机着舰非线性引导控制框架。进一步引入固定时间控制策略，提出了确保舰载机在不受初始状态影响的精确可控时间内快速收敛至期望下滑道的着舰控制方法。
第4章，在第3章建立的全自动着舰非线性控制架构基础上，根据舰载机航母双动平台运动特性，考虑理想下滑道随航母甲板做牵连运动的特点，提出了适用于移动路径跟踪问题的预设性能时变矢量场引导律。此外，还开展了基于自抗扰理论的舰载机非线性内环控制律设计，提高控制系统抑制舰艉流扰动能力。
第5章，将移动路径跟踪方法由二维平面扩展至三维空间，提出了兼容传统固定路径跟踪与移动路径跟踪的三维引导律。此外，为实现着舰性能的突破，提出了基于综合直接升力的下滑控制方法，有效提高了触舰精度等级。
第6章，进一步考虑 移动路径跟踪过程中输出受限问题，提出了鲁棒控制障碍函数方法。在放宽对被控对象初始位置要求的情况下，满足了受扰动时变系统输出约束要求，使所提出的全自动着舰方法满足落点位置约束指标。
第7章，引入视觉伺服理论，提出了利用视觉伺服着舰控制方法，由舰载机机载相机获取图像信息，独立完成着舰引导控制任务。
第8章，基于扩展多模型自适应理论，设计了舰载机执行器系统故障诊断方法，可对舰载机副翼、升降舵、方向舵等操纵舵面发生的故障进行及时诊断 与定位。
第9章，针对舰载机发生舵面卡死、外形损伤等危险情况下的安全返航与着舰控制需求，开展全自动着舰故障自适应控制方案设计，提出基于 Lyapunov稳定性理论的非线性L1自适应容错控制方法。
第10章，搭建包括小型固定翼飞机、飞行控制器、遥控设备等在内的缩比飞行验证系统，开展软件在环仿真试验、无故障飞行试验、舵面卡死飞行试验、外形损伤飞行试验，并验证了第9章提出的自适应容错控制方法的有效性。
本书是作者对所在的教学科研团队在全自动着舰控制系统领域多年科研实践工作的总结。主要撰写人员有:郑泽伟、马云鹏、关智元。同时，课题组的刘思敏、宋晓飞等研究生为本书的完成也做了大量工作。另外，本书的撰写工作得到了中航工业沈阳飞机设计研究所的领导与同事的鼎力支持和无私帮助。本书中的部分研究成果得到了国家自然科学基金 (No.62173016)和 北京航空航天大学校级规划教材/专著项目的资助，作者对此深表谢意。最后，对文中引用的参考文献的作者和对本书出版做出贡献的同志表示感谢。
舰载机全自动着舰技术对我国国防具有重要意义，随着科研人员的不断努力，该领域将会出现更多创新性理论、方法和技术。本书介绍了目前舰载机全自动着舰控制方面的前沿技术，期望为读者提供面向控制系统设计的技术参考。本书可作为控制科学与工程、航空宇航科学与技术等专业的高年级本科生和研究生的专业课教材，也可供有关科研人员参考。
受限于作者的能力，本书难免有不妥之处，恳请读者批评指正，使之完善提高。
作 者
2023年1月于北京
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