临近空间飞艇是大惯性系统,大惯性系统要实现精确控制是个难题,这也是飞艇控制区别于其他飞行器的显著特点。相对凸显困难程度,主要又是因为两个根本点,一是外界环境扰动太强;另外就是载荷对控制的要求很高该特点和难点必将增加系统动力学建模、分析与控制各方面的研究难度,给动力学与控制学科带来一系列需要解决的科学问题。本文针对随机风场、大气湍流等外界环境的低频干扰,依据大气模型及观测数据,结合飞艇的动力学方程,研究艇身受干扰作用下的姿态及位置变化规律,对扰动的统计特性、频谱特性进行分析。艇身扰动频带宽,可采用被动隔离方法实现中高频振动隔离,同时采用主动补偿方法实现低频运动补偿。论文的主要研究内容如下:针对风速序列的在线预测,风速序列随时间、空间呈现非线性、非平稳性变化的特征,提出一种基于优化极限学习机的自适应模型的风速预测方法。首先利用对训练样本的相空间重构确定增量型极限学习机的输入维数。其次,通过增量型极限学习机的方法来确定神经元个数,优化结构参数,获得良好的泛化性能。最后根据优化的结构参数和增量型极限学习机对样本参数进行训练得出风速预测的模型,通过不断的样本更新完成长期滚动的预测。实验结果表明,文章所提的预测方法具有较高的预测精度。目前,研究高空平流层飞艇的扰动主要从两个方面:一是由于大气紊流以及定常风对高空平流层飞艇的低频的姿态干扰,二是由于高空平流层飞艇在姿态保持和低速飞行时有电机、螺旋桨等引起的机械振动,也就是飞艇的高频干扰。以大气紊流为特例,分析了其对飞艇性能的影响。首先,给出了大气紊流的基本情况,包括其频谱特性、扰动特性、尺度和强度,给出了其仿真模型。并给出风场干扰飞艇的模型情况,在飞艇模型上加入大气紊流,进行仿真分析艇身受干扰作用下的姿态及位置变化规律。为对飞艇振动引起高频振动随时间变化的规律进行分析,以美航局对Landsat-4在线测试所得到的干扰的功率谱为基础分析和计算高空平流层飞艇的高频振动所带来的有效载荷平台的位移模型,为采取必要的扰动抑制与补偿措施提供可信的依据。最后为解决飞艇有效载荷平台的扰动隔离和自适应控制的大气扰动补偿,介绍了主要的隔振技术和提出了模糊PID对有效载荷平台的控制技术。本章介绍了模糊控制的原理并在在传统PID的研究基础上提出模糊PID设计的方法及模糊规则、模糊规则、解模糊等。通过模糊PID对有效载荷平台的主动补偿的仿真分析表明模糊PID在高空飞艇的有效载荷平台的扰动低频补偿具有良好的性能,另外通过与传统PID仿真比较分析发现模糊PID具有更好的控制效果。