南航、華中科大、河海大學(xué)聯(lián)合理論創(chuàng)新與實(shí)踐：自然控制理論與飛行控制

基本信息

由南京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、河海大學(xué)等共同建立了自然控制理論，并在飛行控制與航空航天飛行器設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用，該理論及其應(yīng)用撰寫成專著《自然控制理論與飛行控制》，在2025年11月由科學(xué)出版社正式出版。

內(nèi)容簡介

書名：自然控制理論與飛行控制

作者：南 英 龍垚松 楊 毅 方東洋著.

出版時間：2025. 11

出版社： 科學(xué)出版社，北京,

ISBN：978-7-03-080851-6

本書系統(tǒng)闡述了源于原始自然數(shù)值算法的自然控制理論，該理論融合了傳統(tǒng)控制的最優(yōu)性、魯棒性、智能性（含容錯與自適應(yīng)）、大系統(tǒng)性與實(shí)時在線性等綜合特性，其核心在于兩項關(guān)鍵技術(shù)：①自然控制采用根底層、體中層與運(yùn)動層三層控制變量架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動體全系統(tǒng)的控制；②基于可探知-推算信息動態(tài)修正系統(tǒng)模型與輸入，實(shí)現(xiàn)在少信息、半息及全息條件下對運(yùn)動軌跡進(jìn)行最大時段的全局一體化最優(yōu)規(guī)劃。書中將該理論應(yīng)用于各類航空航天飛行器的飛行控制，涵蓋航空飛行器（民機(jī)、軍機(jī)、無人機(jī)等）、導(dǎo)彈（地地、地空、空空、巡航導(dǎo)彈等）、航天運(yùn)載器（單級/兩級入軌飛行器、氣動輔助變軌飛行器、深空探測器等）以及多飛行器協(xié)同-博弈對抗等領(lǐng)域，本書可作為航空航天飛行控制、飛行器設(shè)計等相關(guān)專業(yè)高年級本科生、研究生以及工程設(shè)計研發(fā)人員的技術(shù)參考。

核心亮點(diǎn)

1. 建立融合控制理論：提出一種同時融合最優(yōu)、自適應(yīng)、魯棒、智能等多種控制特性的統(tǒng)一理論與數(shù)值算法，突破傳統(tǒng)控制理論各自為戰(zhàn)的局限。

2. 動態(tài)軌跡優(yōu)化：基于可預(yù)知動態(tài)信息，構(gòu)建最大時間段內(nèi)運(yùn)動軌跡的在線全局優(yōu)化規(guī)劃方法。

3. 三層控制變量體系：將控制變量擴(kuò)展至運(yùn)動體的概念設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計及實(shí)時控制全過程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計、優(yōu)化與控制一體化。

4. 廣泛適用于航空航天：理論可應(yīng)用于各類飛行器（民航機(jī)、無人機(jī)、導(dǎo)彈、航天器等）及其協(xié)同控制與總體性能優(yōu)化。

5. 融合傳統(tǒng)控制優(yōu)點(diǎn)：具備最優(yōu)性、魯棒性、智能性等傳統(tǒng)控制特性，并能將運(yùn)動體全生命周期可控因素納入統(tǒng)一控制框架。

作者簡介

南英，南京航空航天大學(xué)教授, 博士生導(dǎo)師，自1993年在西工大博士畢業(yè)至今，長期從事飛行器總體設(shè)計、原始自然算法、飛行器的制導(dǎo)控制、新概念飛行器總體設(shè)計、飛行器群體智能協(xié)同-博弈對抗等。在國內(nèi)、美國與新加坡工作期間，完成航空航天科研項目90余項，發(fā)表論文兩百余篇，寫有階段性與總結(jié)技術(shù)報告兩百余篇。

龍垚松：華中科技大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師。長期從事飛行器設(shè)計、流體力學(xué)相關(guān)研究工作，在高速飛行器設(shè)計、跨介質(zhì)飛行器設(shè)計、協(xié)同制導(dǎo)控制飛行、新概念控制布局等領(lǐng)域解決了多項關(guān)鍵技術(shù)，先后獲國家科技進(jìn)步特等獎 1 項、三等獎 1 項、省部級獎勵 9 項，享受國務(wù)院政府特殊津貼。

楊毅，河海大學(xué)高級工程師，碩士生導(dǎo)師，從事飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制領(lǐng)域研發(fā)工作，主持多項國家級和省部級科研項目，與多項研究院所的協(xié)作項目。相關(guān)成果獲得中國指控學(xué)會 CICC 科技進(jìn)步獎一等獎、人工智能學(xué)會吳文俊科學(xué)技術(shù)獎二等獎、南京市青年科技工作者創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽一等獎。

方東洋，上海機(jī)電工程研究所研究員，主任級設(shè)計師。從事飛行器總體設(shè)計、飛行穩(wěn)定控制、精確制導(dǎo)等研發(fā)工作，解決了在高速飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)動目標(biāo)預(yù)測濾波、機(jī)動目標(biāo)攔截制導(dǎo)、多模復(fù)合探測信息融合等領(lǐng)域的多項關(guān)鍵技術(shù)，先后獲“上海市經(jīng)信委青年崗位能手”等多項榮譽(yù)。

詳細(xì)目錄

書籍結(jié)構(gòu) 主要章節(jié)

第一部分 自然控制理論與數(shù)值算法

第一部分著重給出自然控制的概念與基本原理，對自然控制理論進(jìn)行系統(tǒng)化的陳述，然后，給出自然控制理論與數(shù)值總體算法，以及該總體算法中的一個關(guān)鍵難點(diǎn)，即在信息不全知的情況下，如何對一個運(yùn)動體運(yùn)用最大時間段的運(yùn)動規(guī)劃算法。

這部分共分為三章：

第 1 章緒論。總結(jié)各種現(xiàn)代控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀。綜合分析現(xiàn)代控制理論各子領(lǐng)域的控制特性，因此，需要建立一套同時具備全部控制特性的控制理論，這就是自然控制理論。

第 2 章自然控制理論與數(shù)值總體算法。建立自然控制理論的概念及其基本原理，給出自然控制理論的數(shù)學(xué)表述與數(shù)值仿真總體算法。該章中，也給出了優(yōu)越控制的數(shù)值算法。自然控制變量分為三層：根底層控制量、體中層控制量、運(yùn)動層控制量；給出了運(yùn)動體自然控制變量選擇的。

第 3 章在各種可探知信息的環(huán)境中，最大時段的運(yùn)動軌跡最優(yōu)規(guī)劃與控制方法，包括詳細(xì)的計算步驟等。給出了自然控制的具體的數(shù)值計算方法，如只知局部少量環(huán)境信息的運(yùn)動體的軌跡規(guī)劃算法，半息–動態(tài)時變不定的信息環(huán)境中軌跡規(guī)劃，全息環(huán)境中的飛行器最大時段的軌跡優(yōu)化方法。

第二部分 自然控制在航空航天的應(yīng)用

第二部分著重把自然控制理論及其數(shù)值算法應(yīng)用到航空航天中的各種飛行器的飛行控制與飛行器總體性能設(shè)計中。這些飛行器包括：航空飛行器 (如民機(jī)、軍機(jī)、無人機(jī)等)，各種導(dǎo)彈飛行器 (如地地彈、地空彈、空空彈、巡航導(dǎo)彈等)，航天運(yùn)載器 (如單級入軌、兩級入軌的航天飛機(jī)上升飛行以及返回再入、氣動力輔助變軌飛行，以及深空探測飛行器等)，以及眾多飛行器相互協(xié)同–博弈對抗的飛行自然控制等。

本部分包括以下四章:

第 4 章航空飛行器的飛行自然控制。該章節(jié)中的航空飛行器包括有人駕駛的軍機(jī)、民機(jī)、無人機(jī)以及多種類型的空投體等。

第 5 章各種導(dǎo)彈飛行器的自然制導(dǎo)控制。該章所研究的導(dǎo)彈包括：地地彈、地空彈、超低空巡航彈、空空彈、高超聲速臨近空間巡航彈等。給出了各種導(dǎo)彈自然制導(dǎo)控制的復(fù)合制導(dǎo)律，以及導(dǎo)彈攻防對抗時需要的動態(tài)可攻擊區(qū)/可攔截區(qū)、不可逃逸區(qū)、射后動態(tài)可攻擊區(qū)/可攔截區(qū)等。

第 6 章航天運(yùn)載器的飛行自然控制。航天運(yùn)載器的自然控制是指航天運(yùn)載器上升入軌飛行控制、返回再入飛行控制與深空探測等的飛行控制；其中，航天運(yùn)載器上升入軌飛行控制包含了基于全部可控因素（即多層次自然控制變量）的航天運(yùn)載器的總體優(yōu)化設(shè)計。

第 7 章眾多飛行器協(xié)同–對抗的自然飛行控制。該章主要研究眾多不同種類飛行器相互協(xié)同–博弈對抗的飛行自然控制。

一些仿真算例

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算例四：導(dǎo)彈攔截機(jī)動飛行的目標(biāo)

地–空導(dǎo)彈與一個 U 形機(jī)動目標(biāo)的攻防飛行軌跡

算例三：飛行初始時刻在敵方攔截區(qū)中在線的最優(yōu)規(guī)劃全程突防飛行軌跡

算例二：在海洋的洋流條件下，大型水陸兩棲飛機(jī)對指定區(qū)域搜索的航路規(guī)劃

算例一：在可視范圍很小的情況下，在迷宮中的路徑規(guī)劃

算例五：導(dǎo)彈傳統(tǒng)定義的可攔截區(qū)與射后可攔截區(qū)及其計算

導(dǎo)彈傳統(tǒng)定義的可攔截區(qū)與射后10.0s可攔截區(qū)

飛行270秒時突防飛行器對動態(tài)與靜態(tài)飛行禁區(qū)及飛行任務(wù)的飛行規(guī)劃軌跡在水平面投影

飛行270秒時的攔截飛行器針對突防飛行器突防飛行的攔截飛行規(guī)劃

（圖中粗線是攔截飛行規(guī)劃軌跡，細(xì)線是突防飛行規(guī)劃軌跡，橢球體點(diǎn)是攔截預(yù)估的遭遇點(diǎn)）

在有飛行禁區(qū)中的突防與攔截雙方的對抗3-維飛行軌跡

算例七：兩群飛行器進(jìn)行協(xié)同-博弈對抗

采用磁懸浮加速的單級入軌飛行器

算例六：基于磁懸浮的單級入軌航天運(yùn)載器的總體設(shè)計

單級入軌航天器三維上升飛行軌跡隨時間的變化

單級入軌航天器在三維幾何空間飛行禁區(qū)中的再入/進(jìn)入飛行軌跡最優(yōu)規(guī)劃

（本文編輯：劉四旦）

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