飛艇系統控制策略分析

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、垂直溫度梯度小，是一個可用于空中部署的比較理想的區域。當前，平流層平臺有3個主要的研究趨勢，即有人攜帶設備高空駐留、無人機和浮空器。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，適用的范圍廣泛。

與傳統的無人機相比，飛艇龐大外形帶來的天然優勢非常明顯。在執行情報、監視與偵察等任務時，飛艇具有更高的效率。由于飛艇所受的靜浮力比例遠遠大于無人機，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械的限制，長時間地停留在空中，能實現長時間持續執行任務。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，比傳統的無人機具有更強的靈活性。與傳統的飛行器相比，無人飛艇可以由雷達吸收材料或者軟式材料構成，在高空中很難被敵方發現，而且飛行高度也超出了大多數導彈的射程，較無人機相比擁有安全性，在小范圍的近距離觀察區域，飛艇具有更好的實用性。

國內外研究現狀及發展趨勢

飛艇在早期發展時，有很長一段時期處于概念研究和方案預估階段。從20世紀90年代末期開始，國際和國內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的浮空氣飛行器的發展，也引起了國內飛艇研究的浪潮。

在傳統飛艇研究領域，美國始終處于領先地位。相關的實驗室一直對飛艇進行研究，而且還將研究領域延伸到矩形飛艇、高空飛艇觀測平臺上。在經歷了9？11事件、阿富汗戰爭和第二次海灣戰爭后，出于國土安全以及反恐的需求，美國提出了航天器與陸海空裝備無縫銜接的操作平臺的概念。2002年，美國導彈防御局（MDA）提出在“先進概念技術演示”（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視威脅美國本土的導彈目標?！案呖丈诒憋w艇應運而生，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系列飛艇是現代飛艇的典型代表。同時，在民用方面，飛艇的應用處于時代的前列，如英國飛艇工業公司設計的特種發光軟式飛艇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先地位。從20世紀90年代至今，俄羅斯相繼研制出“科學靜力”01/02和半硬式多用途Au-30飛艇，其性能優于當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（現已合并到JAXA）承擔平流層飛艇的研發，并于2005年進行了縮比飛艇（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，國內許多家單位都在進行飛艇的研究工作，如航空工業特種飛行器研究所、北京航空航天大學、中國科學院等均取得了一定的研究進展。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”在內蒙古錫林浩特成功放飛?！皥A夢號”是全球首次具備持續動力、可控飛行、重復使用能力的臨近空間飛艇，也是首次向企業和個人用戶提供商業服務的飛艇。本次飛行搭載了客戶的寬帶通信、數據中繼、高清觀測、空間成像和空中態勢感知等系統。

飛艇控制的關鍵技術

對飛艇系統進行控制，通常分3部分，即飛艇的姿態控制、航跡控制以及區域駐留控制方法。

飛艇姿態控制

姿態控制是飛行器穩定飛行最基本的控制要求，是保證穩定飛行的關鍵。姿態控制成為飛艇飛行控制的重點，這是由于平流層飛艇姿態運動具有非線性、通道耦合、不確定等特點，而且容易受外界擾動影響。飛艇姿態控制通常采用PID控制、滑模控制和反饋線性化控制方法。

傳統的PID控制，具有最穩定的控制性能，對于任意系統適應性和可靠性較強，可以保證飛艇的飛行可靠性。在進行多目標優化后，系統提高參數攝動和工況變化的魯棒性。離散滑?？刂品椒ㄒ脖粦糜陲w艇姿態控制系統設計，控制系統為非線性的，考慮到非線性因素及各通道之間的耦合作用，俯仰姿態的跟蹤誤差相對較少，使得飛艇更加精確地對期望姿態進行跟蹤。由于飛艇為非線性系統，從應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設計方法。該方法通過非線性反饋和坐標變換使非線性系統轉變為線性系統，然后應用線性理論對該線性系統進行控制設計，從而簡化了系統控制問題。通過反饋線性化方法和滑膜控制方法設計出飛艇姿態控制律結構，可以實現按指數規律使系統輸出跟蹤指令姿態角，其中，系統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的。

飛艇航跡控制

航跡控制，即為對飛行器質心運動的控制。在飛行過程中，為完成各項飛行任務，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的PID控制、動態逆控制和智能模糊控制等方式。

PID控制作為常規方法來控制這些飛行狀態所對應的控制器，同時對不同飛行狀態之間的控制切換策略進行分析。采用PI控制方法和PID控制方法較為簡單，易于工程實現。動態逆控制方法可以對飛艇航跡控制系統進行設計，并在系統參數時變和外界干擾條件下驗證控制系統的魯棒性。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計控制系統，并未考慮縱向運動和橫側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智能控制相結合，利用智能控制的自學習、自適應、自組織等功能使滑模控制能夠根據系統狀態自動調節控制輸出，從而實現了非線性控制，減少了由于解耦帶來的控制誤差。其中，滑?？刂仆ㄟ^設計適當的切換流形和變結構控制律，使得系統的狀態軌線在有限時間內到達所設計的切換流形并以適當的速度漸近滑向平衡點，從而保證系統具有預定的性能指標，具有較好的應用前景。

飛艇區域駐留控制

與傳統飛行器相比，平流層飛艇的主要應用優勢是在目標區域上空長期駐留，以完成對地觀測、偵察監視、通信中繼和災害監測等各類任務。區域駐留是平流層飛艇特有的工作模式。區域駐留控制是指控制飛艇在某一空域相對地面目標區域保持位置不變，當飛艇在外界擾動下偏離駐留位置時，則需要在控制系統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域駐留控制的難度，因此，區域駐留控制成為平流層飛艇工程應用的關鍵技術。在過去的研究中，多種控制算法被應用到飛艇駐留控制當中。

傳統的PID控制方法設計的高空飛艇的區域駐留控制系統能夠滿足區域駐留控制要求。但相比于傳統的控制方法，遺傳算法控制和反饋線性化控制也可以滿足相應要求，并且較傳統方法有相應的改進。例如，采用遺傳算法尋優的最短時間開環控制系統，該控制系統側重于時間最短的控制性能；采用反饋線性化方法設計閉環控制系統，引入航跡反饋信號，提高了系統對參數攝動的魯棒性。此外，對于飛艇區域駐留控制系統，可以經過算法優化，駐留控制問題轉化為非線性多目標優化問題，進而可以借鑒遺傳算法等求出最優解來解決區域駐留的現實問題。

結論

縱觀國內外研究現狀，可以得到以下結論：（1）平流層飛艇誘人的應用前景促使其成為國內外發展的熱點，推動了有關的動力學與控制研究；（2）現有動力學與控制研究重點主要集中在對軟式飛艇進行研究；（3）飛艇動力學與控制方面已發表大量文獻，但現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問題，包括熱、浮力與氣動的強耦合、晝夜外形變化、發射與回收過程中的突風帶影響、風切變干擾等，然而現有研究綜合考慮氣動、靜力、熱力和結構耦合影響的動力學與控制研究成果仍較少。

目前，國內外許多平流層飛艇工程發展計劃進展緩慢，一個重要原因就是缺乏針對性的基礎理論和方法研究。在把飛艇潛在應用的美好憧憬變成客觀現實之前，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、平穩的姿態和精準的指向？這給動力學與控制研究帶來一系列難題。

（責任編輯：朱赫）