基于逆动力学和重心估计的飞行控制系统设计

飞机飞行中重心的变化直接影响飞机本身的控制特性,使得控制系统设计更为复杂.提出了一种基于逆动力学和重心估计的飞行控制方法,首先建立了考虑重心偏移的飞机六自由度动力学模型,由此模型推导得到了其逆特性的解析形式,并采用基于重量分布的重心估计系统在线提供重心信息.仿真结果表明,该方法有效地利用了重心在线估计信息,能适应飞机在不同重心时运动特性的变化,具有良好的控制效果,且设计过程简洁,易于实现.     

综合飞行推力矢量控制系统设计与仿真

对带推力矢量控制的飞控设计问题进行了研究.按飞机状态变化快慢将其分成快变和慢状态,然后采用非线性动态逆理论分别进行设计.针对战斗机大迎角飞行,以及将所设计控制律联入综合飞行/火力控制系统的瞄准攻击过程在六自由度全量飞机方程上进行数学仿真.仿真结果表明,综合飞行/推力矢量控制可实现战斗机大迎角飞行,并能够满足综合飞行/火力控制系统性能需求,所采用的设计方法在工程上具有应用前景.     

基于DE算法的共轴直升机模型辨识及精度分析

由于共轴直升机特有的旋翼布局引发了上下旋翼间强烈的气动干扰,采用传统的理论分析和风洞试验的方法难以获得适用于共轴直升机控制系统的飞行动力学模型.为此,设计了飞行扫频试验,根据飞行试验数据得到了悬停状态下包含共轴直升机飞行动力学模型耦合特性的非参数频率响应,运用仿生智能计算方法中的微分进化(DE,Differential Evolution)算法拟合频率响应建立了悬停状态下的共轴直升机状态空间模型.利用Cramer-Rao边界和不灵敏度的相关理论进行分析计算,说明辨识得到的参数具有较高的精度和可信度.通过比较辨识模型的输出和实际飞行数据的结果,说明辨识得到的模型能充分反映共轴直升机的飞行动力学特性,可用于飞行品质评估和飞控系统设计.     

导弹增量式自适应容错控制系统设计

导弹在实际飞行中存在气动参数不确定、执行机构故障等问题,从而对导弹飞行控制系统稳定性与操控能力造成严重影响。为此,设计一种增量式自适应容错控制方法,在实现导弹安全控制的同时,兼顾姿态控制算法时效性与可靠性。建立面向控制的三通道耦合姿态动力学模型;考虑系统不确定性和执行机构故障,基于增量式动态逆方法设计导弹被动容错控制律;基于自适应滑模控制与增量式动态逆方法,设计增量式动态逆自适应容错控制律,并对系统残差进行分析比较;通过某典型全弹道姿态跟踪任务,验证舵面故障下的姿态跟踪特性。仿真结果表明:所提方法在故障未知的情况下,能够保证飞行控制系统的鲁棒性与容错能力,实现导弹的安全可靠控制。      

基于静态输出反馈的大型飞机横航向控制综合

由于广泛采用轻质材料,大型飞机的结构柔性使得控制系统和结构动力学之间存在不可避免的耦合现象,控制器设计必须同时考虑结构柔性对系统反馈的贡献,并满足飞行品质、鲁棒性等目标.提出了一种利用刚体飞行动力学模型和包含弹性模态的高阶模型设计满足多种目标的控制器综合方法,首先由刚体模型设计静态输出反馈参数,满足动态响应、飞行品质和抑制阵风扰动等要求,在此基础上利用已获得的静态反馈参数针对高阶模型设计H_∞回路成形控制器,实现对结构模态的抑制,并满足系统的鲁棒性需求.仿真结果表明:设计方法能够充分利用包含弹性模态的大型飞机飞行动力学模型的特点,满足结构模态抑制和鲁棒稳定裕度等多种需求.      

面向重心变化的自适应飞行控制系统设计

重心的变化直接影响飞机本身的控制特性,使得控制系统设计更为复杂.针对已有方法模型依赖性强、鲁棒性差的局限性,提出了一种面向重心变化的非线性自适应飞行控制系统设计方法.该方法基于逆动力学理论和重心在线估计系统设计标称控制律,在此基础上引入自适应滑模控制单元来构建自适应补偿控制律,其中滑模控制用于保证控制的鲁棒性和稳定性,而自适应单元则通过对模型不确定性和重心估计误差的估计及补偿提高控制的适应性和控制性能.结合Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明:该方法能有效地实现对系统未知不确定因素的补偿,具有较强的鲁棒性.     

积冰对飞机纵向操稳特性的量化影响

提出了一种根据气象条件、飞机特征、飞行条件预测积冰对飞机飞行动力学特性影响的估算方法.采用热力学平衡分析方法完成了积冰增长过程的数学描述,利用逐步线性回归方法建立了结冰飞机的气动模型,计算得到了结冰飞机的气动参数,计算结果与试验结果吻合较好,表明这种方法具有一定的工程实用性.并在此基础上研究了不同部位积冰对飞机纵向操稳特性的影响,通过数值仿真计算得出,结冰飞机气动特性的急剧恶化会导致其纵向操稳特性显著降低,严重时会危及其飞行安全.      

基于状态反馈的黄金分割控制器参数化方法及其在高超声速飞行器上的应用

研究气动参数摄动和外界扰动下高超声速飞行器姿态系统的鲁棒自适应控制问题.引入特征建模的思想对高超声速飞行器的姿态系统建立二阶差分方程模型.考虑到高超声速飞行器再入过程要经历飞行环境的剧烈变化的特点,为了提高闭环系统的瞬态响应性能和抗扰能力,设计了黄金分割鲁棒自适应控制器.该控制器具有与特征模型相似的结构,控制器参数通过在线辨识获得,并且按照黄金分割比生成控制信号,能够保证辨识参数收敛过程中系统的稳定性.基于混合H2和H∞控制思想对标准的黄金分割自适应控制器中的参数λ进行在线优化,从而保证了姿态回路对气动参数摄动和外界扰动具有满意的鲁棒性.所提出的λ(k)优化算法是通过对一组线性矩阵不等式求解得到的,因此易于工程实现.改进后的黄金分割鲁棒自适应控制算法在自适应性和鲁棒性的优越性使得该方法尤其适用于高超声速飞行器姿态控制系统.仿真结果验证了控制方法的有效性和实用性.     

飞机穿越风切变时的地速/空速控制

为解决飞机穿越风切变过程中控制系统解耦和飞行轨迹的实时/在线控制问题,对飞机纵向三自由度非线性模型,运用非线性动态逆方法,在风轴系中设计了飞行轨迹的高度变化率/空速控制模式,在地轴系中设计了高度变化率/地速控制模式.对2种控制模式进行比较并将其结合起来,得到更加完善的地速/空速控制律.仿真计算表明动态逆方法在飞机穿越风切变的轨迹控制过程中实用有效.     

动力增升飞行LQG/LTR鲁棒控制器设计

研究线性高斯二次型回路传输恢复(LQG/LTR)鲁棒设计方法在动力增升阶段飞行/推进综合控制器设计中的应用问题,以带宽和Gibson准则作为基本的飞行品质指标,以奇异值作为鲁棒性指标,深入分析了基于LQG/LTR鲁棒控制的参数选择规律,包括姿态和速率指令的分配、前置滤波器的影响、扰动水平的预设、高频环节对系统鲁棒性和飞行品质的影响等问题.示例飞机构形的控制器设计结果表明:在LQG/LTR鲁棒飞行控制器设计过程中,适当选取响应类型参数和扰动水平因子,可以折衷飞机的飞行品质和鲁棒性能.      

飞行器自适应ESO姿态控制器设计

飞行器无动力再入过程中,姿态受到气动及不确定干扰影响,控制模型具有强耦合、大范围参数摄动等非线性特征。针对再入飞行器姿态控制问题,结合扩张状态观测器（Extended State Observer,ESO）和自适应控制律,基于奇异摄动理论将非线性姿态控制模型分为快慢两回路,分别设计了飞行器内环和外环自适应姿态控制器,并通过 Lyapunov 稳定性理论证明控制器的稳定性。仿真结果表明,控制系统在强干扰及参数大范围摄动的情况下,具有较强的鲁棒性,能够获取良好的动态品质和跟踪性能。     

飞机大机动飞行的一种模糊控制系统设计方法

在全飞行包线内大机动飞行时,飞机的飞行参数变化剧烈,飞机模型呈现出严重的非线性,采用常规控制方法不能保证在整个飞行包线内均取得良好的控制效果.本文提出了一种新的模糊控制方法.该方法将模糊控制函数的优化和模糊控制系统增益自适应调整集中于一体,可大大改善系统的品质和适应能力.该方法已用于综合飞行/推力系统设计.数字仿真结果表明,这种新型的模糊控制方法取得了良好的控制效果.     

基于在线气动参数修正的预测制导方法

针对高超声速滑翔飞行器,提出了一种基于在线气动参数修正的预测制导方法.研究了再入过程中受到的各种飞行约束,给出了多约束下控制量设计的基本方案.分析了传统预测制导法在落点预测过程中存在的气动参数偏差影响,引入综合升力系数与综合阻力系数,并对其进行在线参数估计以及参数修正,以提高制导方法的适应性.基于气动参数修正方法,完成了纵向与横侧向制导律设计.设定较大的轴向力、法向力系数组合偏差对该方法进行了验证,并考虑再入初始条件和再入气动参数的不确定性,进行了蒙特卡洛仿真.结果表明:预测制导法中引入气动参数的在线估计与修正环节,可保证其制导精度,尤其对再入过程的气动扰动具有较强的适应能力.     

空－空机炮模态的综合火力／飞行控制系统设计

针对国产某型号高速歼击机的数学模型及其数字式三轴电传操纵控制增稳系统，采用经典控制理论的方法，在数字式三轴电传操纵控制增稳系统的基础上，分析、设计了一种复杂的非线性控制系统──空－空机炮模态的综合火力／飞行控制系统．文中给出了该控制系统的构成，讨论了火力／飞行耦合器的结构．数学仿真表明，所设计的综合火力／飞行控制系统具有良好的性能，由于采用的飞机数学模型及其数字式三轴电传操纵控制增稳系统的真实性，使得所设计的综合火力／飞行控制系统具有较强的实际意义和工程使用价值．     

高超声速滑翔飞行器的分散鲁棒姿态控制

根据高超声速滑翔飞行器的任务和特点,并考虑一阶执行器动态,建立了面向控制系统设计的飞行器姿态模型.针对模型的结构,结合分散控制和滑模变结构控制的思想设计了再入飞行段的分散鲁棒姿态控制器:采用Tornambe控制方法进行了分散鲁棒滑模面的设计,使得系统能够克服耦合及非匹配不确定性的影响实现性能优良的滑模运动;采用改进的时间次优控制方法实现了二阶滑模变结构控制律的设计,通过在线估计等效控制削弱了抖振.为验证控制器的设计,在Simulink中以某概念高超声速滑翔飞行器为对象,进行了分散鲁棒姿态控制系统和制导系统的联合仿真,仿真结果表明在存在大不确定性的情况下,可以实现对制导指令的鲁棒稳定跟踪.     

基于输出重定义的再入飞行器动态逆姿态控制

再入飞行器仅使用两个体襟翼对姿态进行控制将导致横侧向运动中包含不稳定内动态。针对这一欠驱动问题,提出基于输出重定义的动态逆控制方法。采用输出重定义技术使零动态局部稳定,通过极点配置提高零动态的鲁棒性,对重定义输出系统进行反馈线性化从而设计动态逆控制器。仿真结果验证了该方法能确保零动态的稳定性,并显示出在镇定侧滑角的同时对攻角指令和倾侧角指令良好的跟踪性能,通过与反推力控制系统（RCS,Reaction Control System）单独控制的结果进行比较,表明该控制方法仅依靠气动舵面就能实现姿态的稳定控制,既节省了燃料,又减小了飞行器的结构复杂度,并且增大了飞行器的有效载荷。