某型飞机无动力投放模型自由飞控制律设计

针对某型飞机无动力投放模型自由飞试验中,由于受载机螺旋桨滑流影响,模型与载机分离后发生滚转、难以保证水平飞行的问题,根据模型自由飞试验不同阶段的飞行特点开发了专用控制律,具备直接链、投放控制、失速尾旋3种控制模态。论述了控制律的设计过程,以及在模型自由飞试验中的应用情况。试飞结果表明,该控制律很好地解决了模型与载机安全分离和大迎角水平飞行控制问题,提高了模型试验动作精准度。     

超低空空投牵引伞失效下的全局积分滑模控制

针对超低空空投过程中发生的牵引伞失效故障情况下,影响载机飞行安全及空投任务的完成等问题,提出了二级迭代全局积分滑模飞行控制方法。首先分析了在牵引伞失效故障下载机的开环特性;然后在对模型进行反馈线性化处理的基础上,采用二级迭代全局积分滑模控制设计系统内环速度与俯仰姿态跟踪控制器,结合外环PID高度控制保持器完成整个飞控系统的设计,改善了系统的动态性能;最后通过仿真验证了控制器的优良性能,表明其应对故障状态具有很强的强鲁棒性。     

舰尾流环境中载机纵向QFT/TECS控制系统设计

为了消除舰尾流对载机着舰过程产生的影响,同时完成低动压状态下飞行速度与高度的解耦工作,基于定量反馈理论/总能量控制理论(QFT/TECS)设计了纵向着舰控制系统。针对着舰过程中数学模型所具有的不确定因素及舰尾流对下滑航迹的影响,以载机高度变化率为控制对象,使用定量反馈理论结合推力补偿系统进行了内回路鲁棒控制律设计。外回路控制律设计是以总能量控制理论为基础,通过粒子群优化算法对待调控制参数进行寻优,进而实现了对高度、速度等参数的精确控制,完成了载机纵向着舰轨迹与速度的解耦工作。仿真结果表明,该控制律在拥有较强的鲁棒性的基础上具有良好的解耦控制能力,实现了载机着舰段的高度与速度的解耦控制,明显提高了载机对着舰轨迹的跟踪能力,可满足不确定条件下载机的着舰要求。     

基于响应类型的直升机悬停状态显模型跟踪控制律设计

现代战场使用环境对直升机的飞行品质要求越来越高,使用电传飞控系统可大幅改善直升机的飞行品质,本文以电传飞控系统为研究对象,进行面向特定任务的具体指标要求的控制律设计。首先,根据ADS-33E飞行品质规范要求构造出满足悬停状态下俯仰轴ACAH响应等级1要求的指令模型;其次,以该指令模型构建显模型,通过反馈补偿算法进行跟踪偏差修正的模型跟踪控制律设计,最终得到整个闭环系统俯仰姿态满足飞行品质等级1要求的控制律构型和参数。通过MATLAB仿真验证了该设计方法的合理性和有效性。     

二级入轨航天运载器最优分离飞行状态研究

研究水平起降二级入轨航天运载器分离飞行状态（飞行高度、轨迹倾角、马赫数）对轨道器在分离点处的质量（包括结构质量、燃料质量等）的影响。主要内容包括：针对以火箭发动机为动力的轨道器，建立了上升段运动方程。采用静态可变误差多面体算法加上动态共轭梯度法数值优化了轨道器上升段轨迹，优化的性能指标是分离点处轨道器的总质量最小，初始条件受到载机上升段走廊的约束，终端约束是某指定的目标轨道。对分离状态与轨道器总体方案（升阻比、推力、比冲等）对轨道器总质量的影响作了大量数值仿真。针对某飞行器模型，得到了一组最优分离飞行状态。拟合出估算分离状态对轨道器总体方案的影响计算公式。得到了合理选择分离飞行状态的结论。     

用于直升机在大气紊流中的旋翼状态反馈控制

发展了一种集成旋翼状态反馈(Rotor-State Feedback,RSF)控制的飞行控制系统,以提升直升机在大气紊流环境中低速飞行时的飞行品质。基于经典显模型跟踪控制系统,对机体和旋翼状态反馈增益进行协同设计,以综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和直升机在飞行品质相关频率范围(1~12rad/s)内的紊流缓和能力。同时,设计了一个旋翼前馈控制以增强直升机的操纵响应特性。对直升机飞行品质的线性分析表明:RSF控制的引入能够在实现旋翼/机体耦合动稳定性控制的同时使滚转和俯仰通道的指令跟踪延迟时间分别降低21.87%和25.82%,扰动抑制带宽分别提升243.22%和72.56%。最后以飞行试验验证的高阶非线性飞行动力学模型进行数值模拟验证控制系统。结果表明:RSF控制的引入使直升机滚转、俯仰角速率对紊流响应的标准差分别降低55.68%和26.81%。集成RSF的控制系统能够提升直升机在紊流中的飞行品质。     

改进动态面控制方法及其在过失速机动中的应用

为提高模型飞行试验中飞机过失速机动控制品质,发展了一种考虑非定常气动力效应与舵回路作动器模型的改进动态面飞行控制律。针对一般仿射模型情形的控制律设计了流程:首先针对子系统推导动态面控制律,然后综合全系统并考虑控制约束导出滑模控制律,在一定的假设条件下,证明了闭环控制系统为输入-状态稳定。在应用提出的控制方法进行过失速机动控制律设计中,为准确预测飞机非定常气动力效应,利用过载测量量反解飞机气动力、采用微分方程模型计算飞机非定常力矩。由于综合了作动器动力学模型,控制律的控制效果受作动器带宽影响较小,可以有效消除由作动器动态响应引起的控制效果变差问题,同时控制律中对非定常气动力效应的有效预测也有利于过失速机动品质的改善。     

无人机参数优化自抗扰编队保持控制器设计

针对无人机编队飞行中的队形保持问题,采用结合粒子群算法的自抗扰控制技术对控制器进行设计,使响应过程具有良好的动态品质和较小的稳态误差。建立三维空间内基于相对误差的无人机编队飞行模型,并在此基础上设计了跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态反馈自抗扰控制器,采用粒子群算法对控制器中部分参数进行优化整定。仿真结果表明,设计的结合粒子群算法的改进自抗扰控制器具有良好的控制性能,能以较高的精度实现无人机编队保持任务。     

四旋翼式飞行潜航器非线性增量动态逆控制

针对四旋翼式飞行潜航器水下运动姿态控制问题,设计了一种带二阶低通滤波器的非线性增量动态逆控制器。建立了四旋翼式飞行潜航器水下运动数学模型,推导了增量形式的姿态控制律,以反馈的角加速度信号作为虚拟输入,得到了推力增量与角加速度的关系式,设计了姿态控制器,并进行了鲁棒性分析。通过在控制端和反馈的状态导数端引入二阶低通滤波器,保证了系统的时间同步性。仿真结果表明,在外界扰动和不确定性作用下,所设计的增量动态逆控制方法能够快速准确跟踪参考信号。     

运输机超低空重装空投建模与特性分析

采用整体分析与分离体法相结合的建模方法,建立了货物舱内运动状态未知情况下的超低空重装空投过程动力学模型。将货物舱内移动视为对载机的扰动,省去了对货物进行深入受力分析及其运动状态求解的中间环节,简化了模型建立过程。同时,考虑舱内导轨角和牵引力方向时变性,使得建立的模型更加贴近实际空投过程。运输机超低空重装空投过程的数值仿真结果表明,货物移动对载机飞行特性和飞行品质将产生巨大影响。     

高超声速飞机动力需求探讨

近年来,随着高超声速技术的长足进步,特别是在超燃冲压技术逐渐面向工程化的背景下,关于高超声速飞机及其动力系统的讨论也频繁出现。为了在宽速域条件下工作,基于不同热力循环工作模式的组合动力系统相继被提出,高超声速飞机的动力发展形式出现了百花齐放、百家争鸣的局面,也对高超声速飞机动力系统的选型提出了巨大挑战。通过对飞机发展史及高超声速相关发展技术的综述,阐述了现阶段组合动力是高超声速飞机动力主要发展方向这一结论,针对高超声速飞机需求,梳理和分析了几种高超声速组合动力系统的工作原理、工作特性及优缺点,并展望了采用组合动力系统对未来高超声速飞机研究带来的挑战。随着飞行速度的提高,高超声速飞机和动力系统的一体化势在必行。     

Flight testing of a rate saturation compensation scheme on the ATTAS aircraft

This paper presents the application of a rate saturation compensation scheme to the DLR Advanced Technologies Testing Aircraft (ATTAS) and the results of the subsequent flight tests. Details of the design philosophy and the flight tests, termed SAIFE (Saturation Alleviation In-Flight Experiment), which employed the HQDT (Handling Qualities During Tracking) test technique, are presented, as well as pilot flight test reports (PFRs). The rate saturation compensators were designed based on the anti-windup (AW) control philosophy, with the aim to reduce the deleterious effects of rate saturation on the piloted aircraft dynamics, and hence provide an increased flight envelope (operating envelope) for acceptable aircraft handling qualities and reduced PIO (Pilot-in-the-Loop/Pilot-involved Oscillation) tendencies. The achievement of this goal was primarily determined by subjective pilot handling qualities ratings and PIO ratings, and secondly by supporting flight test data. The results show that the compensation scheme greatly reduced the level of rate saturation in all instances (flight conditions), making the aircraft less PIO prone in almost all investigated cases, while exhibiting either unchanged or improved handling qualities. Most notably, the flight tests demonstrated the definite potential for well designed AW compensators to improve the safety and handling qualities of aircraft during rate saturation, with some flight conditions exhibiting dramatic improvements.     

弹性飞行器伺服气动弹性分析

伺服气动弹性问题是因非定常空气动力、结构弹性与飞行控制系统间的闭环耦合而引起的弹性飞行器新课题。首先,综述了飞行器伺服气动弹性相关问题;其次,考虑飞行器刚体模态与弹性模态的动态耦合,建立了弹性飞行器俯仰通道短周期运动模型;最后,通过编制软件对飞行器伺服气动弹性进行了仿真分析,并得出了相应的结论。     

放宽静稳定度飞机时间延迟稳定边界

针对飞机初步设计阶段其放宽静稳定度（RSS）与电传飞控系统时间延迟边界之间的定量关系求解问题，以战斗机纵向短周期方程为基础，分析了飞控系统中的时间延迟因素，描述了放宽静稳定度与方程参数间的关系。并以等效输入延迟的形式构建了含飞控系统时间延迟的闭环系统特征方程，通过根轨迹趋势理论和数值计算方法确定了放宽静稳定度与飞控系统时间延迟边界的定量数值关系，同时探讨了舵效与动导的参数不确定性对所求时间延迟边界的影响。本文方法对飞机初步设计阶段飞控系统时间延迟指标和可放宽静稳定度边界的确定具有一定的工程实践意义。     

电子飞控飞机的飞行品质适航验证

FAA AC25-7A中的飞行品质评定方法 (HQRM)能够对使用电子飞控系统的民用运输机进行飞行品质评估。分析了HQRM评估程序以及相关适航要求,根据某民用飞机飞控系统功能危险分析,针对单侧升降舵卡阻这一典型故障,提出了在该失效状态下的模拟器飞行品质评估试验程序,分别给出了HQRM和相应军用标准评估方法,对军民评估方法的差异性和一致性进行了分析。研究结果对采用电子飞控系统的现代飞机的飞行品质适航验证具有工程参考意义。     

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

Suggestion for aircraft flying qualities requirements of a short-range air combat mission

Owing to the lack of a direct link with the operations in short-range air combat,conventional aircraft flying qualities criteria are inappropriate to guide the design of a task-tailored flight control law.By applying the mission-oriented flying qualities evaluation approach,various aircraft with different control law parameters are evaluated on a ground-based simulator.This paper compares the evaluation results with several conventional flying qualities criteria,and discusses the appropriate parameter combination to reflect the flying qualities requirements of short-range air combat,The comparison and analysis show that a short-range air combat mission requires a higher minimum short period mode natural frequency and a smaller maximum roll mode time constant,and allows a lower minimum pitch attitude bandwidth and a higher maximum short period mode damp ratio than those of conventional flying qualities criteria.Furthermore,a combination of the pitch attitude bandwidth,the pitch attitude magnitude at the bandwidth frequency,and the pitch attitude transfer function gain can define the flying qualities requirements of short-range air com bat.The new metric can successfully predict the flying quality levels of aircraft in a short-range air combat mission.     

Flexible aircraft model identification for control law design

The large commercial aircraft, developed today by manufacturers, are characterized by a high flexibility which results in a stronger interaction between the flight control system and the structural modes. The active control of the first elastic modes is needed to meet the performance requirements. This paper proposes an identification methodology of a flexible aircraft from flight test data, which is appropriate for control law design with modern control techniques (LQG, H2/H∞). In a first step a procedure based on Eigensystem Realization Algorithm (ERA) is used to determine an initial aeroelastic model which is subsequently combined with a linearized rigid-body model and optimized by an output-error minimization method. Two application examples show the good performances of the approach.     

基于过失速机动动力学的控制方法

为设计过失速大机动飞行控制律，按飞行的逆稳态模型考虑非线性因素的影响，同时对于陀螺、 惯性耦合效应及重力影响进行补偿，并直接根据飞行品质要求按隐式模型跟踪法设计反馈控制器。初步设计实例证明，这种方法适用于过失速机动动力学特点，能够获得发挥飞机操纵潜能、较好地控制飞机实现过失速机动、具有满意飞行品质的控制解，并且控制结构易于工程实现。算例还表明，即使不加装先进的过失速操纵装置，通过对飞行控制律的改进可以进一步发挥飞机本身的气动潜力，使之在一定的过失速迎角不正常工作。