基本信息

由南京航空航天大學、華中科技大學、河海大學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計中得到廣泛應用，該理論及其應用撰寫成專著《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）、大系統(tǒng)性與實時在線性等綜合特性，其核心在于兩項關鍵技術：①自然控制采用根底層、體中層與運動層三層控制變量架構實現(xiàn)對運動體全系統(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，實現(xiàn)在少信息、半息及全息條件下對運動軌跡進行最大時段的全局一體化最優(yōu)規(guī)劃。書中將該理論應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、軍機、無人機等）、導彈（地地、地空、空空、巡航導彈等）、航天運載器（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-博弈對抗等領域，本書可作為航空航天飛行控制、飛行器設計等相關專業(yè)高年級本科生、研究生以及工程設計研發(fā)人員的技術參考。

核心亮點

1. 建立融合控制理論：提出一種同時融合最優(yōu)、自適應、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：基于可預知動態(tài)信息，構建最大時間段內(nèi)運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：將控制變量擴展至運動體的概念設計、優(yōu)化設計及實時控制全過程，實現(xiàn)設計、優(yōu)化與控制一體化。

4. 廣泛適用于航空航天：理論可應用于各類飛行器（民航機、無人機、導彈、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：具備最優(yōu)性、魯棒性、智能性等傳統(tǒng)控制特性，并能將運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，南京航空航天大學教授, 博士生導師，自1993年在西工大博士畢業(yè)至今，長期從事飛行器總體設計、原始自然算法、飛行器的制導控制、新概念飛行器總體設計、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，寫有階段性與總結技術報告兩百余篇。

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

楊毅，河海大學高級工程師，碩士生導師，從事飛行器導航、制導與控制領域研發(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。相關成果獲得中國指控學會 CICC 科技進步獎一等獎、人工智能學會吳文俊科學技術獎二等獎、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，上海機電工程研究所研究員，主任級設計師。從事飛行器總體設計、飛行穩(wěn)定控制、精確制導等研發(fā)工作，解決了在高速飛行器控制系統(tǒng)設計、機動目標預測濾波、機動目標攔截制導、多模復合探測信息融合等領域的多項關鍵技術，先后獲“上海市經(jīng)信委青年崗位能手”等多項榮譽。

詳細目錄

書籍結構 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鍵難點，即在信息不全知的情況下，如何對一個運動體運用最大時間段的運動規(guī)劃算法。

這部分共分為三章：

第 1 章緒論?？偨Y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、運動層控制量；給出了運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，最大時段的運動軌跡最優(yōu)規(guī)劃與控制方法，包括詳細的計算步驟等。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用

第二部分著重把自然控制理論及其數(shù)值算法應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計中。這些飛行器包括：航空飛行器 (如民機、軍機、無人機等)，各種導彈飛行器 (如地地彈、地空彈、空空彈、巡航導彈等)，航天運載器 (如單級入軌、兩級入軌的航天飛機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、民機、無人機以及多種類型的空投體等。

第 5 章各種導彈飛行器的自然制導控制。該章所研究的導彈包括：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。給出了各種導彈自然制導控制的復合制導律，以及導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 章航天運載器的飛行自然控制。航天運載器的自然控制是指航天運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）的航天運載器的總體優(yōu)化設計。

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

點擊圖片翻頁

算例四：導彈攔截機動飛行的目標

地–空導彈與一個 U 形機動目標的攻防飛行軌跡

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，細線是突防飛行規(guī)劃軌跡，橢球體點是攔截預估的遭遇點）

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載器的總體設計

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/進入飛行軌跡最優(yōu)規(guī)劃

（本文編輯：劉四旦）

專業(yè)品質(zhì) 學術價值

原創(chuàng)好讀 科學品位

一起閱讀科學