内容简介
自然控制理论起源于原始自然数值算法，自然控制包含了传统控制理论的各种特性：*优性、鲁棒性、（人工）智能性(包含容错性、自适应性等)、大系统性与实时在线性等。《自然控制理论与飞行控制》给出了自然控制理论及其数值算法与两个关键技术，使得受控体同时具备多种控制特性。两个关键技术是：①自然控制采用三个层次的控制变量（根底层控制变量、体中层控制变量与运动层控制变量）来控制运动体全系统；②基于可探知-推算的信息源来修正全系统数学模型及其输入，再进行在很少信息、半息、全息条件下运动轨迹的*大时段的全局一体化*优规划。《自然控制理论与飞行控制》把自然控制应用到各种航空航天飞行器的飞行控制。
精彩书摘
**部分自然控制理论与数值算法
**部分着重给出自然控制的概念与基本原理，对自然控制理论进行系统化的陈述，然 后，给出自然控制理论与数值总体算法，以及该总体算法中的一个关键难点，即在信息不 全知的情况下，如何对一个运动体运用*大时间段的运动规划算法。
这部分共分为三章：
第1章绪论；
第2章自然控制理论与数值总体算法；
第3章各种信息环境中*大时段的运动轨迹*优规划与控制方法。
每章的主要内容如下。
第1章总结各种现代控制理论的发展现状。给出了各种现代控制问题的一般数学描述， 这包括了*优控制、自适应控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、（人工）智能控制、大系统 理论等，它们的发展现状是各个控制子领域都分别发展得很好，但是，各子领域之间顾此 失彼，都分别局限于研究各自的控制特性内容，因此，需要建立一套同时具备全部控制特 性的控制理论，这就是自然控制理论。
第2章建立自然控制理论与数值仿真总体算法。先建立自然控制的概念，给出自然控 制理论的数学表述，包括各种运动体及其环境的数学模型，运动时候的各种约束条件，控 制运动体追求的性能指标，该运动体性能指标具有的自然控制特性，即自然控制的一般特 性：*优性、自适应性与鲁棒性、变结构性、人工智能性、模糊性、容错性、神经网络性、 协同-对抗性、大系统性，以及功能集成性等；自然控制的这些一般特性是自然控制具有的 八个一般特征之一。
自然控制变量分为三层：根底层控制量、体中层控制量、运动层控制量。该章中给出 了这三层自然控制变量的选择方法。并且为了达到自然控制的理想效果，这三层自然控制 变量贡献力度依次是根底层控制量、体中层控制量、运动层控制量；即其对应的三种控制 力度依次是根优控制、体优控制、运优控制。
自然控制的数值算法主要体现在以下两个特征步骤。
（1）选择自然控制的三个层次的控制变量，以及信息-模型在线更新-修改的更新替换 频率。
（2）反复循环：时刻探知全部相关信息4在线更新全系统数理模型及其深入信息4 更新选择自然控制变量与替换频率4重新全程（或*大时段）全局规划一次4在真实半 息环境中运行一步 时刻探知
在自然控制的数值算法中，一个关键难点是各种信息环境中*大时段的运动轨迹*优 规划方法，各种信息环境是指：只知很微少的环境信息，只知一半环境信息，以及知道全部环境信息。因此，*大时段的运动*优规划包括只知局部少量环境信息的运动体的轨迹规 划方法，以及只能够探知到一半环境信息条件下的*大时段的全局一体化*优规划（即原 始自然数值算法），也包括全息条件下的运动体*大时段的轨迹优化方法（如极大值原理的 数值算法、动态规划的轨迹优化方法、基于静态参数的优化方法、一些组合优化方法等）。
针对*大时段的全局*优规划的运动轨迹，在真实的信息不全环境中的运动体的轨迹 控制算法是采用跟踪*优规划轨迹的PD导引律或者是跟踪*优规划轨迹的线性化的近似 法，这些运动体的运动控制律将在第3章中呈现。
第1章绪 论
自然控制理论及其算法是从自然界生物或非生物运动现象特征受到启发而演化出的控 制原理与算法，这类控制算法往往遵循各种自然法则和规律，并且同时综合地具备各种传 统控制理论的特性。
自然控制理论数值算法起源于原始自然数值算法的运行过程。在原始自然数值算法中， 每一个物质运动体的控制运行过程，都是在进行着自然控制的数值算法的过程，即物质组 合体（物质体群）按照原始自然数值算法运行，就是物质体群分别在长期地进行着自然控制 运动。
自然控制理论数值算法中，关键技术是各种运动体的轨迹优化。关于人造运动体轨迹 优化设计问题，20世纪50年代以前，就开始了各种飞行器的轨迹优化设计。在50？70年 代，飞行器轨迹优化的理论有了一定的发展，主要的工作在于求近似解析解或次优数值解。 随着*优控制理论、*优数值计算方法、计算机技术等的飞速发展，*优轨迹的数值计算 在80年代得到了长足发展并趋于成熟。
本章对各种控制理论的发展现状进行总结与分析，然后简述本书的主要内容。
1.1各种控制理论的现状总结
控制理论研究基本分为三阶段：**控制理论、现代控制理论、大系统和智能控制理 论，即从理想简化模型、简单小规模、单个系统、低可靠性、局部性、低精度 发展到客 观存在的真实具体模型、复杂大规模、众多系统、高可靠性、全局性、高精度 的过程。
现代控制理论是以状态空间为基础的一种控制理论W，以线性代数和微分方程等为主 要的数学工具，分析与构建控制系统[2_4L该理论在20世纪50年代中期得到迅速兴起与 发展。航空航天等工程科技需要建立能适合其特性的控制理论，以解决如将宇宙火箭和人 造卫星发射入预定轨道并使燃料*少或时间*短等问题[5]。
目录
目录
**部分 自然控制理论与数值算法
第1章 绪论 3
1.1 各种控制理论的现状总结.3
1.1.1 控制问题的一般数学描述.4
1.1.2 *优控制 7
1.1.3 自适应控制 8
1.1.4 鲁棒控制 9
1.1.5 滑模变结构控制 10
1.1.6 (人工)智能控制 11
1.1.7 大系统理论 13
1.1.8 结论：需要建立一套同时具备全部控制特性的控制理论 15
1.2 本书的主要内容.17
参考文献 18
第2章 自然控制理论与数值总体算法 23
2.1 自然控制的概念.23
2.1.1 运动体自然控制的概念 23
2.1.2 运动体自然控制的内涵 25
2.2 自然控制理论的数学表述 28
2.2.1 运动体及其环境的数学模型 28
2.2.2 运动体的约束条件 32
2.2.3 运动体自然控制的性能指标 33
2.2.4 运动体的自然控制变量及其选择 38
2.2.5 自然控制与传统的现代控制特性的关系 43
2.3 自然控制的数值总体算法及其特征 49
2.3.1 自然控制的数值总体算法 49
2.3.2 自然控制的一般特征 52
2.4 本章小结 57
参考文献 59
第3章 各种信息环境中*大时段的运动轨迹*优规划与控制方法 60
3.1 运动体运动轨迹的自然控制问题的普适性描述 61
3.1.1 无协同–对抗时的一个运动体轨迹优化与控制问题统一描述 62
3.1.2 协同–对抗时的多运动体运动轨迹自然控制问题数学描述 65
3.2 只知局部少量环境信息的运动体的轨迹规划算法 76
3.2.1 当*终目标点静止不动时的轨迹规划算法 76
3.2.2 当*终目标点始终高频无序运动时的轨迹规划算法 85
3.3 半息–动态时变不定的信息环境中规划：原始自然数值算法 95
3.3.1 引言 95
3.3.2 传统概念的自然算法的现状总结 96
3.3.3 原始自然数值算法 105
3.4 全息环境中的飞行器*大时段的轨迹优化方法 160
3.4.1 全息环境中各种飞行器轨迹优化现状总结 160
3.4.2 极大值原理的数值算法 177
3.4.3 动态规划的轨迹优化算法 179
3.4.4 采用大型静态参数的优化方法 182
3.4.5 其他的飞行器轨迹优化方法 185
3.4.6 飞行器轨迹的组合优化方法 190
3.5 真实的信息不全环境中的运动控制 195
3.6 本章小结 198
参考文献 200
第二部分 自然控制在航空航天的应用
第4章 航空飞行器的飞行自然控制 209
4.1 各种航空飞行器的飞行自然控制方法 209
4.1.1 航空飞行器飞行自然控制方法 209
4.1.2 航空飞行器自然控制的数学模型 216
4.1.3 航空飞行器*大时段的全局*优规划及其规划更新的频率 218
4.2 军用飞行器的飞行自然控制 223
4.2.1 有人驾驶的军机攻防飞行的自然控制 223
4.2.2 飞机或巡航导弹的超低空突防自然控制.234
4.3 针对空中交通管制的飞行自然控制 247
4.3.1 空管的自由飞行轨迹优化设计问题 247
4.3.2 与飞行环境协同的*优轨迹规划 249
4.3.3 在真实环境中进行实际飞行控制 252
4.4 搜索救援飞机的飞行自然控制 254
4.4.1 搜索型飞机的轨迹优化与控制问题 255
4.4.2 搜索航路规划算法 261
4.4.3 搜索型飞机轨迹*优规划数值仿真与分析 264
4.5 空投的自然控制 269
4.5.1 空投飞行的自然控制问题表述 269
4.5.2 载机与分离后的空投体航路*优规划与在线控制 277
4.5.3 不可控单*空投体下滑飞行轨迹的规划方法 280
4.5.4 空投敏感性分析与空投点处自然控制变量的选择 295
4.5.5 不可控空投体的空投指令与载机在铅垂面内的轨迹控制 300
4.5.6 可控翼伞空投体下滑飞行控制 302
4.5.7 小结 308
4.6 航空飞行器飞行的自然控制的特性分析 309
4.6.1 航空飞行器自然控制的计算步骤与控制变量的选择 310
4.6.2 随机干扰中飞行器模型与全程飞行对策的在线修正与规划 310
4.6.3 航空飞行器飞行自然控制可充分利用已知的随机干扰源 312
参考文献 313
第5章 各种导弹飞行器的自然制导控制 315
5.1 各种导弹自然制导控制的总体思路 315
5.1.1 各种导弹自然控制的数学模型 317
5.1.2 各种导弹自然制导控制的总体方法 322
5.2 地–地导弹的自然飞行控制 326
5.2.1 地–地导弹航路规划及其数值仿真的总体框架 326
5.2.2 地–地导弹的全程在线弹道*优规划 328
5.3 对空导弹的自然飞行控制 334
5.3.1 空–空导弹的制导与飞行轨迹全程*优规划 335
5.3.2 对空导弹突防拦截的机动规划 338
5.3.3 地–空导弹的制导与飞行轨迹全程*优规划 339
5.4 巡航导弹的自然控制 348
5.4.1 超低空巡航导弹的全程在线弹道*
试读
**部分自然控制理论与数值算法
**部分着重给出自然控制的概念与基本原理，对自然控制理论进行系统化的陈述，然 后，给出自然控制理论与数值总体算法，以及该总体算法中的一个关键难点，即在信息不 全知的情况下，如何对一个运动体运用*大时间段的运动规划算法。
这部分共分为三章：
第1章绪论；
第2章自然控制理论与数值总体算法；
第3章各种信息环境中*大时段的运动轨迹*优规划与控制方法。
每章的主要内容如下。
第1章总结各种现代控制理论的发展现状。给出了各种现代控制问题的一般数学描述， 这包括了*优控制、自适应控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、（人工）智能控制、大系统 理论等，它们的发展现状是各个控制子领域都分别发展得很好，但是，各子领域之间顾此 失彼，都分别局限于研究各自的控制特性内容，因此，需要建立一套同时具备全部控制特 性的控制理论，这就是自然控制理论。
第2章建立自然控制理论与数值仿真总体算法。先建立自然控制的概念，给出自然控 制理论的数学表述，包括各种运动体及其环境的数学模型，运动时候的各种约束条件，控 制运动体追求的性能指标，该运动体性能指标具有的自然控制特性，即自然控制的一般特 性：*优性、自适应性与鲁棒性、变结构性、人工智能性、模糊性、容错性、神经网络性、 协同-对抗性、大系统性，以及功能集成性等；自然控制的这些一般特性是自然控制具有的 八个一般特征之一。
自然控制变量分为三层：根底层控制量、体中层控制量、运动层控制量。该章中给出 了这三层自然控制变量的选择方法。并且为了达到自然控制的理想效果，这三层自然控制 变量贡献力度依次是根底层控制量、体中层控制量、运动层控制量；即其对应的三种控制 力度依次是根优控制、体优控制、运优控制。
自然控制的数值算法主要体现在以下两个特征步骤。
（1）选择自然控制的三个层次的控制变量，以及信息-模型在线更新-修改的更新替换 频率。
（2）反复循环：时刻探知全部相关信息4在线更新全系统数理模型及其深入信息4 更新选择自然控制变量与替换频率4重新全程（或*大时段）全局规划一次4在真实半 息环境中运行一步 时刻探知
在自然控制的数值算法中，一个关键难点是各种信息环境中*大时段的运动轨迹*优 规划方法，各种信息环境是指：只知很微少的环境信息，只知一半环境信息，以及知道全部环境信息。因此，*大时段的运动*优规划包括只知局部少量环境信息的运动体的轨迹规 划方法，以及只能够探知到一半环境信息条件下的*大时段的全局一体化*优规划（即原 始自然数值算法），也包括全息条件下的运动体*大时段的轨迹优化方法（如极大值原理的 数值算法、动态规划的轨迹优化方法、基于静态参数的优化方法、一些组合优化方法等）。
针对*大时段的全局*优规划的运动轨迹，在真实的信息不全环境中的运动体的轨迹 控制算法是采用跟踪*优规划轨迹的PD导引律或者是跟踪*优规划轨迹的线性化的近似 法，这些运动体的运动控制律将在第3章中呈现。
第1章绪 论
自然控制理论及其算法是从自然界生物或非生物运动现象特征受到启发而演化出的控 制原理与算法，这类控制算法往往遵循各种自然法则和规律，并且同时综合地具备各种传 统控制理论的特性。
自然控制理论数值算法起源于原始自然数值算法的运行过程。在原始自然数值算法中， 每一个物质运动体的控制运行过程，都是在进行着自然控制的数值算法的过程，即物质组 合体（物质体群）按照原始自然数值算法运行，就是物质体群分别在长期地进行着自然控制 运动。
自然控制理论数值算法中，关键技术是各种运动体的轨迹优化。关于人造运动体轨迹 优化设计问题，20世纪50年代以前，就开始了各种飞行器的轨迹优化设计。在50？70年 代，飞行器轨迹优化的理论有了一定的发展，主要的工作在于求近似解析解或次优数值解。 随着*优控制理论、*优数值计算方法、计算机技术等的飞速发展，*优轨迹的数值计算 在80年代得到了长足发展并趋于成熟。
本章对各种控制理论的发展现状进行总结与分析，然后简述本书的主要内容。
1.1各种控制理论的现状总结
控制理论研究基本分为三阶段：**控制理论、现代控制理论、大系统和智能控制理 论，即从理想简化模型、简单小规模、单个系统、低可靠性、局部性、低精度 发展到客 观存在的真实具体模型、复杂大规模、众多系统、高可靠性、全局性、高精度 的过程。
现代控制理论是以状态空间为基础的一种控制理论W，以线性代数和微分方程等为主 要的数学工具，分析与构建控制系统[2_4L该理论在20世纪50年代中期得到迅速兴起与 发展。航空航天等工程科技需要建立能适合其特性的控制理论，以解决如将宇宙火箭和人 造卫星发射入预定轨道并使燃料*少或时间*短等问题[5]。
