南航、华中科大、河海大学联合理论创新与实践：自然控制理论与飞行控制

基本信息

由南京航空航天大学、华中科技大学、河海大学等共同建立了自然控制理论，并在飞行控制与航空航天飞行器设计中得到广泛应用，该理论及其应用撰写成专著《自然控制理论与飞行控制》，在2025年11月由科学出版社正式出版。

内容简介

书名：自然控制理论与飞行控制

作者：南 英 龙垚松 杨 毅 方东洋著.

出版时间：2025. 11

出版社： 科学出版社，北京,

ISBN：978-7-03-080851-6

本书系统阐述了源于原始自然数值算法的自然控制理论，该理论融合了传统控制的最优性、鲁棒性、智能性（含容错与自适应）、大系统性与实时在线性等综合特性，其核心在于两项关键技术：①自然控制采用根底层、体中层与运动层三层控制变量架构实现对运动体全系统的控制；②基于可探知-推算信息动态修正系统模型与输入，实现在少信息、半息及全息条件下对运动轨迹进行最大时段的全局一体化最优规划。书中将该理论应用于各类航空航天飞行器的飞行控制，涵盖航空飞行器（民机、军机、无人机等）、导弹（地地、地空、空空、巡航导弹等）、航天运载器（单级/两级入轨飞行器、气动辅助变轨飞行器、深空探测器等）以及多飞行器协同-博弈对抗等领域，本书可作为航空航天飞行控制、飞行器设计等相关专业高年级本科生、研究生以及工程设计研发人员的技术参考。

核心亮点

1. 建立融合控制理论：提出一种同时融合最优、自适应、鲁棒、智能等多种控制特性的统一理论与数值算法，突破传统控制理论各自为战的局限。

2. 动态轨迹优化：基于可预知动态信息，构建最大时间段内运动轨迹的在线全局优化规划方法。

3. 三层控制变量体系：将控制变量扩展至运动体的概念设计、优化设计及实时控制全过程，实现设计、优化与控制一体化。

4. 广泛适用于航空航天：理论可应用于各类飞行器（民航机、无人机、导弹、航天器等）及其协同控制与总体性能优化。

5. 融合传统控制优点：具备最优性、鲁棒性、智能性等传统控制特性，并能将运动体全生命周期可控因素纳入统一控制框架。

作者简介

南英，南京航空航天大学教授, 博士生导师，自1993年在西工大博士毕业至今，长期从事飞行器总体设计、原始自然算法、飞行器的制导控制、新概念飞行器总体设计、飞行器群体智能协同-博弈对抗等。在国内、美国与新加坡工作期间，完成航空航天科研项目90余项，发表论文两百余篇，写有阶段性与总结技术报告两百余篇。

龙垚松：华中科技大学研究员，博士生导师。长期从事飞行器设计、流体力学相关研究工作，在高速飞行器设计、跨介质飞行器设计、协同制导控制飞行、新概念控制布局等领域解决了多项关键技术，先后获国家科技进步特等奖 1 项、三等奖 1 项、省部级奖励 9 项，享受国务院政府特殊津贴。

杨毅，河海大学高级工程师，硕士生导师，从事飞行器导航、制导与控制领域研发工作，主持多项国家级和省部级科研项目，与多项研究院所的协作项目。相关成果获得中国指控学会 CICC 科技进步奖一等奖、人工智能学会吴文俊科学技术奖二等奖、南京市青年科技工作者创新创业大赛一等奖。

方东洋，上海机电工程研究所研究员，主任级设计师。从事飞行器总体设计、飞行稳定控制、精确制导等研发工作，解决了在高速飞行器控制系统设计、机动目标预测滤波、机动目标拦截制导、多模复合探测信息融合等领域的多项关键技术，先后获“上海市经信委青年岗位能手”等多项荣誉。

详细目录

书籍结构 主要章节

第一部分 自然控制理论与数值算法

第一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最大时间段的运动规划算法。

这部分共分为三章：

第 1 章绪论。总结各种现代控制理论的发展现状。综合分析现代控制理论各子领域的控制特性，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 章自然控制理论与数值总体算法。建立自然控制理论的概念及其基本原理，给出自然控制理论的数学表述与数值仿真总体算法。该章中，也给出了优越控制的数值算法。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；给出了运动体自然控制变量选择的。

第 3 章在各种可探知信息的环境中，最大时段的运动轨迹最优规划与控制方法，包括详细的计算步骤等。给出了自然控制的具体的数值计算方法，如只知局部少量环境信息的运动体的轨迹规划算法，半息–动态时变不定的信息环境中轨迹规划，全息环境中的飞行器最大时段的轨迹优化方法。

第二部分 自然控制在航空航天的应用

第二部分着重把自然控制理论及其数值算法应用到航空航天中的各种飞行器的飞行控制与飞行器总体性能设计中。这些飞行器包括：航空飞行器 (如民机、军机、无人机等)，各种导弹飞行器 (如地地弹、地空弹、空空弹、巡航导弹等)，航天运载器 (如单级入轨、两级入轨的航天飞机上升飞行以及返回再入、气动力辅助变轨飞行，以及深空探测飞行器等)，以及众多飞行器相互协同–博弈对抗的飞行自然控制等。

本部分包括以下四章:

第 4 章航空飞行器的飞行自然控制。该章节中的航空飞行器包括有人驾驶的军机、民机、无人机以及多种类型的空投体等。

第 5 章各种导弹飞行器的自然制导控制。该章所研究的导弹包括：地地弹、地空弹、超低空巡航弹、空空弹、高超声速临近空间巡航弹等。给出了各种导弹自然制导控制的复合制导律，以及导弹攻防对抗时需要的动态可攻击区/可拦截区、不可逃逸区、射后动态可攻击区/可拦截区等。

第 6 章航天运载器的飞行自然控制。航天运载器的自然控制是指航天运载器上升入轨飞行控制、返回再入飞行控制与深空探测等的飞行控制；其中，航天运载器上升入轨飞行控制包含了基于全部可控因素（即多层次自然控制变量）的航天运载器的总体优化设计。

第 7 章众多飞行器协同–对抗的自然飞行控制。该章主要研究众多不同种类飞行器相互协同–博弈对抗的飞行自然控制。

一些仿真算例

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算例四：导弹拦截机动飞行的目标

地–空导弹与一个 U 形机动目标的攻防飞行轨迹

算例三：飞行初始时刻在敌方拦截区中在线的最优规划全程突防飞行轨迹

算例二：在海洋的洋流条件下，大型水陆两栖飞机对指定区域搜索的航路规划

算例一：在可视范围很小的情况下，在迷宫中的路径规划

算例五：导弹传统定义的可拦截区与射后可拦截区及其计算

导弹传统定义的可拦截区与射后10.0s可拦截区

飞行270秒时突防飞行器对动态与静态飞行禁区及飞行任务的飞行规划轨迹在水平面投影

飞行270秒时的拦截飞行器针对突防飞行器突防飞行的拦截飞行规划

（图中粗线是拦截飞行规划轨迹，细线是突防飞行规划轨迹，椭球体点是拦截预估的遭遇点）

在有飞行禁区中的突防与拦截双方的对抗3-维飞行轨迹

算例七：两群飞行器进行协同-博弈对抗

采用磁悬浮加速的单级入轨飞行器

算例六：基于磁悬浮的单级入轨航天运载器的总体设计

单级入轨航天器三维上升飞行轨迹随时间的变化

单级入轨航天器在三维几何空间飞行禁区中的再入/进入飞行轨迹最优规划

（本文编辑：刘四旦）

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