飞机总能量控制系统的研究Ⅰ——原理分析与系统设计

飞机总能量控制是一种全新的综合飞行/推力控制技术,从控制飞机总能量的变化与分配出发,全面解决纵向飞行轨迹控制与速度控制之间的耦合问题;进而建立起一体化的综合飞行控制系统。用多变量系统解耦控制理论研究了这种控制系统,首先分析了总能量控制的基本思想,建立起包含飞机纵向姿态控制回路和发动机推力控制回路的飞机质点能量运动模型,然后利用输出反馈和V规范型前馈解耦策略,对此系统进行解耦分析,设计出能实现飞行轨迹与速度间解耦控制的总能量控制律,并确定出系统的设计条件;最后以波音(Boeing)707飞机为对象,进行了具体的系统设计。     

非线性解耦控制与飞机敏捷性机动

首先介绍了以微分几何控制理论为基础的非线性系统解耦理论，给出了解耦控制律的综合方法及解耦闭环系统平衡点的计算方法，并对解耦系统的稳定性进行分析，随后用非线性解耦理论研究了飞机非线性运动的三种解耦运动模式，并讨论了飞机非线性解耦控制规律的线性近似解，最后用飞机非线性运动的三种解耦运动模式实现了三种形式的敏捷性机动，结果是满意的。为飞机敏捷性，直接力控制和过失速机动问题提供了一种理论研究方法。     

飞机机动飞行的非线性解耦控制研究

本文针对12维非线性飞机动力学模型,利用非线性逆动力学理论和现代最优控制理论设计了一组含有指令静差积分环节的非线性解耦控制规律。这组控制规律使得对状态变量、控制变量以及它们变化率进行加权约束的性能指标极小,并能用平缓的操纵反应和较小的控制能量使飞机达到完全解耦的指定状态。由于这组控制规律计及了飞机动力学模型中的非线性因素,能够弥补飞机机动飞行时非线性特性的恶化影响,在整个飞行包线内都能为飞机提供优良的操纵品质和飞行性能。     

总能量控制原理在地形跟随飞行控制中的应用

应用总能量控制原理设计了控制飞行高度的地形跟随飞行控制系统,并通过引入飞行高度和飞行速度的偏差控制,基本消除了总能量控制系统存在的稳态误差;引入俯仰角和俯仰角速率反馈回路以增加阻尼,消除俯仰角振荡,最后对该系统进行了解耦性能和地形跟随仿真。结果表明,用总能量原理设计的地形跟随飞行控制系统体现了飞机升降舵和油门杆一体化设计的思想,可实现飞行速度/航迹角的解耦控制,对给定地形可达到良好的跟随效果。     

低空突防任务下综合飞行/推进系统的建模与仿真

建立了综合飞行／推进系统的数学模型，介绍了飞机全维非线性数学模型和涡轮风扇发动机非线性部件级数学模型的建模及综合方法。对飞机执行地形中随任务时，飞行员调节飞行速度的方法与基于总能量的调节飞行速度的方法进行了比较。结果表明，基于总能量的方法比飞行员直接控制飞行速度能够减小发动机的燃油消耗，降低发动机的磨损，进而可以增加飞机的航程，延长发动机的使用寿命。     

自组织模糊解耦控制在飞机着陆中的应用

为了更好地控制飞机的着陆飞行，采用模糊推理的方法，实现飞行高度和飞行速度的解耦控制。所设计的自组织模糊控制器，其模糊控制规则用解析形式进行描述，并通过修正因子的在线调整而改变，适应了系统响应的过程。同时，通过削弱量化误差以及在点附近引入PI补偿控制器，提高了系统的动态、静态性能指标。     

静态解耦控制与常规控制的兼容性

静态解耦控制和常规控制之间的兼容性，与常规控制系统的组成和功能有密切的关系。因此，以ＹＦ－１６ＣＣＶ飞机为例，对兼容性问题进行了计算、分析和讨论。计算结果表明，采用静态补偿和闭环修正方法，不但可以实现两种控制之间的兼容，而且还可以提高静态解耦控制的准确度。     

基于升降舵控制的飞机飞行速度控制系统仿真

为保证飞机在要求精度下完成进场着陆(着舰),需要使飞行速度控制系统具有良好的控制性能。简述了飞机飞行速度控制系统的主要作用,分析了飞行速度控制的几种主要构成方案,建立了基于升降舵控制的飞机飞行速度控制系统结构原理图及Simulink仿真结构图,运用数字仿真方法,对该速度控制系统的内、外回路进行了大量仿真研究,获得相应速度控制系统的良好控制规律传动比。仿真结果显示,基于升降舵的飞机飞行速度控制系统方案及其控制规律是合理可行的。     

基于解耦控制的飞机飞行的控制方法仿真研究

深入地研究了基于状态空间法的解耦控制理论，并用此理论对飞机的纵向和横航向的某一飞行状态进行了仿真，得出了既可解耦也可以改善系统响应性能的控制方法。仿真中应用局部解耦的方法构造满足解耦控制条件的多变量系统，局部解耦控制有利于解耦控制方法在飞行控制系统中的应用。     

飞机突防飞行非线性解耦控制的实时仿真方法

非线性解耦控制系统仿真是当前研究的重要方向之一。本文提出了一种仿真飞机大大气扰动下突防飞行非线性解耦控制的简便方法，该法用飞机指令变量的跟踪特性来仿真系统的解耦控制特性和对期望突防迹的跟踪特性，具有方法简单，易实现，计算稳定，实时性较好，结果准确，仿真检验人可介入，可在无地形的视景设施条件下使用等特点。可用于设计选择解耦控制律参数，研究和检验飞行器运动的解耦控制特性及其它非线性解耦控制系统的实时仿真研究。     

战斗机超机动飞行自抗扰控制器设计

提出了一种利用自抗扰控制器算法在大包线范围内设计超机动飞行控制系统的新方法。根据奇异摄动理论和自抗扰控制器能够动态补偿系统模型扰动和外扰的特性,在超机动飞行的快慢子回路中分别引入自抗扰控制器,实现了快变量和慢变量的动态解耦控制。控制律设计直接依据超机动飞行的强耦合、强非线性模型,在很大的包线范围内不需要改变控制器的结构和参数,大大简化了设计过程。大包线范围内的大迎角机动仿真结果表明,系统具有良好的动态和稳态性能,控制器具有很强的鲁棒性,为解决大包线范围内的超机动飞行控制问题提供了一种新的途径。     

飞机鲁棒控制器的设计及检验

针对飞机鲁棒控制器设计中的检验问题,介绍了系统检验标准,讨论了系统检验的重要性,重点阐述了对系统进行稳定裕度检验、性能指标检验以及控制器脆弱性检验的方法。提出了利用军标要求对鲁棒控制系统进行性能指标检验,并给出了相应控制器脆弱性的检验方法。对某型飞机设计了纵向运动系统的控制器,并对其进行了系统检验。     

基于灰色理论的飞行事故率和事故症候率预测

基于灰色预测理论,给出了飞行事故率和事故症候率预测分析的新方法。分析结果表明,采用灰色预测理论对飞行事故率和事故症候率进行预测分析,可以得到满意的预测精度,从而为民用航空器运营管理提供决策依据。     

Butterworth滤波器在飞行控制系统设计中的应用

研究了基于Butterworth滤波器设计思想的控制器设计方法,将这种方法应用于某飞机纵向飞行控制的设计,并进行了鲁棒性仿真研究.结果表明:该方法设计简单,只需确定一个设计参数,就可对飞行控制系统进行初期阶段设计,具有较强的工程实用价值.     

具有自修复功能间接自适应飞行控制系统研究

分析了具有自修复功能的推力矢量飞机自适应控制系统的结构功能特点,利用RHO优化控制算法实现在线控制器设计,利用MSLS辨识算法实现在线飞行参数辨识,采用等价空间算法、传感器信息融合技术和概率统计理论实现FDI算法。依据系统各个部分的算法开发了仿真平台,对飞机存在舵面故障情况下的飞行控制系统进行仿真,解决了舵面损伤后气动参数变化问题。仿真表明,该控制系统是一个完整、鲁棒、收敛系统。     

民用飞机飞控系统舵面卡阻试飞方法研究

某型民用飞机是我国首次全面采用CCAR25部进行适航取证的飞机型号,民航当局特别关注飞控系统舵面卡阻故障状态下的飞行试验验证。为了保证该民用飞机飞控系统舵面卡阻试飞顺利开展,针对舵面卡阻方案设置及卡阻试飞方法进行深入研究,提出三种舵面卡阻方案,对各方案优缺点进行分析,重点介绍卡阻故障模拟方案的原理及试飞安全控制方案,并根据适航标准要求制订具体的卡阻试飞方法;通过铁鸟台试验对卡阻故障模拟方案和卡阻试飞方法进行验证。结果表明：卡阻故障模拟方案满足舵面卡阻要求,卡阻试飞方案具有较高的可行性。     

超机动飞行的非线性反推自适应控制

为解决对象参数未知时的超机动飞行控制问题,设计了一种非线性反推自适应控制器。针对超机动飞行的非线性模型,适当选取Lyapunov函数和中间虚拟控制信号,同时通过自适应控制律的设计来调节未知参数并得到了最终的控制信号。仿真结果表明,即使模型参数未知,所设计的控制律也能在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行,同时保证了闭环系统的稳定性。     

自适应滑模容错跟踪飞行控制律的设计

当飞行控制系统操纵面发生卡死或控制效率损伤故障时,采用自适应滑模控制方法进行容错跟踪飞行控制律的设计。采用单位向量法进行滑模控制器的设计,利用李雅普诺夫理论和Barbalat引理设计自适应滑模调节规律,同时能够保证闭环系统的渐近稳定性。利用某型飞机线性化模型进行仿真,结果表明,带有自适应调节规律的滑模控制方法不仅适合于正常情况下飞行控制律的设计,而且对操纵面损伤和卡死故障情况具有较强的适应能力,具有很好的跟踪控制效果和强鲁棒性。     

三轴式无人旋翼飞行器及自适应飞行控制系统设计

设计了一种操控简便的三轴式无人旋翼飞行器,由三组共轴双旋翼组成,各旋翼由直流电机直接驱动,只需调节各电机转速就能控制旋翼飞行器运动姿态和轨迹。为使三轴式无人旋翼飞行器飞行控制系统设计得到有效验证,研究了旋翼飞行器的飞行动力学非线性建模,运用叶素动量理论建立了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法,分析了旋翼入流分布对共轴双旋翼气动载荷模型的影响,通过试验验证了共轴双旋翼气动载荷计算模型的正确性。由于旋翼飞行器飞行动力学模型的非线性及未建模动力学的影响,难于建立非常精确的数学模型,给飞行控制系统设计带来了挑战。本文根据旋翼飞行器飞行动力学非线性模型推导出了旋转动力学模型逆和平移动力学模型逆控制器,利用神经网络在线自适应修正模型逆误差,采用线性PD或PI控制器调节指令跟踪误差,应用由向心回转和垂直上升组合的机动科目进行了仿真验证,给出了具有外界阵风干扰模拟的仿真结果,表明所设计的飞行控制系统具有自适应性和鲁棒性,能实现精确的轨迹跟踪控制。