倾转旋翼机过渡飞行阶段控制律设计研究

过渡段飞行控制技术是倾转旋翼机飞行控制系统的关键技术。本文在倾转旋翼机过渡静力平衡特性和力矩配平特性分析基础上,对倾转旋翼机过渡段基准飞行轨迹及短舱转角规律进行了设计。然后利用推力矢量技术,采用拉力矢量/空气舵组合操纵方法,对倾转旋翼机过渡飞行段控制律进行了设计与仿真研究。     

基于QFT的倾转旋翼飞行器控制律设计

<正>飞行控制问题是研究倾转旋翼机技术的关键,文献~([1])建立了无人倾转旋翼机非线性动力学模型,并进行了全模式的飞行控制律设计,建立了无人倾转旋翼机的飞行试验系统,进行了地面联调、地面开车试验以及全模式飞行试验并取得成功~([2])。Horowitz教授~([3-4])提出定量反馈理论(QFT),QFT是一种频域鲁棒控制系统设计思想,它将经典控制理论中的频域校正器的设计思想推广应用到对不确定对象     

遥控小型倾转旋翼机飞行控制系统研究

遥控小型倾转旋翼机飞行控制系统研制中所涉及到的关键技术众多,围绕研制中遇到的问题提出了解决措施和技术方案。本文主要讨论遥控小型倾转旋翼机飞行控制系统的系统的结构与配置,包括飞行控制计算机、传感器系统、电动伺服舵机、基本飞行控制规律等。     

面向倾转旋翼机的TRC响应类型控制律设计

倾转旋翼机操纵的复杂性对其任务能力提出了较高要求，而设计响应类型可以大幅提高其任务执行能力，减轻飞行员操纵负担。本文设计了倾转旋翼机在直升机模式下的平移速率指令（TRC）响应类型控制律并进行了飞行品质的仿真验证。首先，建立了基于机理法的倾转旋翼机非线性飞行动力学模型，并进行了线性化处理；其次，根据有人直升机飞行品质要求，设计了直升机模式下的TRC响应类型控制律；最后，进行了飞行品质的仿真验证。仿真结果表明，设计的TRC响应类型满足相关品质规范要求，飞行品质达到等级1。通过本文研究，能够显著改善倾转旋翼机在悬停/低速飞行状态下的操纵品质和精确机动能力，减轻飞行员操纵负荷，提升任务执行能力，满足倾转旋翼机近地低速机动飞行需求。     

小型无人倾转旋翼机气动与操纵特性试验研究

由于倾转旋翼机飞行模式多,各部件气动干扰复杂且操纵面冗余,特别是倾转过渡模式,短舱带动旋翼系统倾转,结构布局发生改变,从理论上确定气动与操纵特性难度大。为了研究倾转旋翼机的气动与操纵特性,对某小型无人倾转旋翼机展开全尺寸、全模式吹风试验,其中不带动力试验主要用于研究倾转旋翼机在不同迎角、短舱倾角、前飞速度等飞行状态下的气动特性;带动力试验主要用于研究倾转旋翼机不同飞行模式带机翼与不带机翼时,旋翼/机翼/襟副翼相互干扰作用,以及总距、副翼、升降舵的操纵功效。根据试验数据推导出小型无人倾转旋翼机全包线飞行的操纵特性方法,对进一步完善倾转旋翼机设计以及试飞试验的成功提供了参考。     

基于隐模型跟踪的倾转旋翼机飞行控制

针对倾转旋翼机过渡阶段的强耦合性和快时变性,基于隐模型跟踪法设计了过渡阶段的自主飞行控制律。首先,考虑短舱和旋翼相对机身运动带来的额外惯性力,建立了倾转旋翼机的多体动力学模型;然后,通过飞行动力学特性分析发现倾转旋翼机过渡阶段具有强耦合性和快时变性;最后,针对强耦合性使用隐模型跟踪法实现了固定倾转角时的解耦控制,针对快时变性使用插值调用控制参数的方法实现了倾转旋翼机在整个过渡阶段的连续控制。仿真结果表明,隐模型跟踪控制系统能够达到良好的速度和轨迹跟踪效果,可以实现倾转旋翼机在过渡阶段的自主飞行仿真。     

倾转旋翼机冗余操纵的舵面分配策略和飞行转换路径分析

倾转旋翼机的不同舵面存在冗余操纵,而冗余舵面的分配策略和飞行转换路径对其控制重构具有重要的意义。对建立的小型无人倾转旋翼机全量非线性飞行动力学模型在不同飞行模式下的进行配平计算、模型线化后,求出单位操纵面位移所引起的俯仰、滚转和偏航力矩的改变量,即考察倾转旋翼机各操纵面的操纵功效,并对其结果进行详细分析,以确定倾转旋翼机的冗余舵面控制重构能力;确定各飞行模式下倾转旋翼机的操纵方式,给出舵面分配策略的权重系数矩阵;在此基础上,提出三种不同的全模式飞行转换路径方案,并分别计算三种方案下倾转旋翼机的飞行速度与前倾角、姿态角及操纵量的关系。结果表明:三种方案都能实现对飞行器的合理操纵,表明倾转旋翼机的冗余舵面控制重构是可以实现的。     

倾转旋翼机过渡段纵向姿态控制技术研究

针对倾转旋翼机既存在拉力矢量控制又存在气动舵控制的复杂操纵特性,在纵向模型的基础上,给出了过渡段操纵控制方案和过渡段转换控制方案。对过渡段平衡点进行配平,计算得出配平工作点处各通道的操纵量,并设计了走廊曲线。采用PID控制和模糊整定技术对过渡段飞行控制系统进行设计,实现了倾转旋翼机从直升机模式到固定翼模式的平稳转换,并保持高度不变。仿真结果验证了所设计的过渡段控制方案的正确性和可行性。     

新构型倾转旋翼无人机飞行力学建模

倾转旋翼无人机飞行力学模型是设计飞行控制律和分析飞行特性的基础。从一款在研的新构型倾转旋翼无人机工程实际出发,建立该无人机非线性飞行力学模型;分析新构型倾转旋翼机相比常规倾转旋翼机的特点和优势,建立直升机模式、倾转过渡模式和固定翼模式下各部件飞行力学模型;并针对直升机模式,对不同飞行速度进行配平及稳定性分析。结果表明:该构型倾转旋翼无人机直升机模式横航向模态具有很好的稳定性,直升机模式悬停状态横纵向模态基本没有耦合。     

倾转旋翼机飞行力学特性

总结和分析了旋翼、机翼、机身、短舱和尾翼气动力模型和操纵机构特点,其中旋翼气动力模型以准定常叶素理论为基础,机翼和尾翼气动力模型以升力线理论为基础,并分析了旋翼尾流对机翼气动力气动干扰问题;建立了全量非线性倾转旋翼机飞行力学模型;以XV-15为样机,对倾转旋翼机在不同飞行模式和飞行速度下飞行力学特性展开了详细研究,得到的结论有助于深入了解倾转旋翼机飞行力学特性,也可用于倾转旋翼机飞行控制系统设计.      

基于Stateflow的自动飞行模式转换逻辑研究

现代民用飞机的自动飞行模式有很多种，且各模式间相互关联和影响，容易造成模式转换的混乱。为解决模式转换的混乱问题，对自动飞行模式转换逻辑进行了研究，分别梳理了飞行指引、自动驾驶仪以及横向和纵向模式转换关系。利用Stateflow搭建了自动飞行各功能的模式转换模型，同时利用Matlab的GUI搭建仿真的飞行控制板和自动飞行模式显示界面，模拟仿真飞机的自动飞行模式转换功能。最后通过预期的模式转换矩阵的方式验证平台中模式转换的正确性。     

战术导弹气动伺服弹性滑模控制技术

为抑制弹体弹性振动引起的控制系统品质恶化,建立了高精度弹性动态模型,采用模态自适应结构滤波技术,在极点配置优化控制参数的基础上,设计了滑模变结构策略,对局部增益进行自适应切换,实现了弹性导弹全包线鲁棒稳定。通过开发弹性弹体非线性集成仿真系统,为导弹气动伺服弹性振荡及失稳现象提供了数字仿真预测与复现手段,以全面验证飞行控制系统的综合性能。高空弹道试验与数字仿真结果表明,开发的非线性仿真系统可信度较高,滑模变结构策略设计合理,控制系统鲁棒性较强,能够抑制包括弹性振动在内的多种不确定性影响。     

第一视角飞行模式设计与无人机着陆试验研究

设计了一种第一视角飞行模式,同时观察图像与导航数据来控制无人机飞行并实现着陆.第一视角飞行是一种基于无人机上加装无线图像传输设备,在地面看屏幕操控无人机的操作模式.无人机操纵员通过观察前视探测器拍摄的图像和导航数据控制遥控器,地面控制站捕捉遥控器的输出信号并把该信号通过数据链传至机载飞控系统,从而实现对无人机的控制.该飞行模式的实现,提高了无人机飞行的机动性,突破了小型无人机只能在本场着陆的限制,使无人机可以在远离本场情况下安全着陆.     

综合火力/飞行控制系统轰炸模态的设计

在无人驾驶状态下,对大机动转弯状态下空地轰炸模态的基本框架的实现技术进行了研究,导出了该模态的综合火力/飞行系统的火控解算方程,提出了火/飞耦合器的设计方法,并对飞控系统进行了设计,最终给出的无人驾驶机动轰炸模态综合火力/飞行系统数字仿真验证表明提出的设计技术是可行的,明显地提高了攻击精度。     

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。     

民机自动飞行模式设计规范与适航性分析

民机自动飞行系统对降低飞行员工作负荷、提高飞行安全性具有重要作用.分析了自动飞行系统飞行模式设计的相关适航规范要求,研究了模式设计的基本方法和软件开发工具,以及适航符合性验证方法.开发了一种飞行模式设计与仿真平台,基于MATLAB/Stateflow设计飞行模式及其切换机制,采用MATLAB/GUI接收驾驶员操作输入,并调用飞行动力学模型进行实时仿真.形成一个集模式设计、仿真和验证一体化的闭环平台,可用于民机飞行模式的设计和适航性分析.     

滑模观测器在临近空间高动态UAV中的应用

针对临近空间高动态无人飞行器(UAV)再入飞行动态范围跨度大,气动参数存在不确定性等特点,利用李雅普诺夫方法设计了具有不同时间量程的双回路滑模控制系统。其中外环采用常规设计;内环控制器设计将控制力矩分为两部分:一部分对UAV已知的动态部分进行稳定控制;另一部分由相应的滑模观测器生成,用来稳定和削弱飞行过程中的干扰项,以增加控制系统的鲁棒性。该控制系统克服了经典控制方法的缺陷,无需大量的增益调节,而能自动适应非线性和强耦合的对象特性,并能适应大范围环境变化,减小对不同飞行条件下气动与结构参数的依赖性。仿真结果证明了所提出的控制器设计方法的有效性,具有较高的姿态跟踪精度。     

QFT force loop design for the aerodynamic load simulator

A dynamic load simulator which can reproduce on-ground the aerodynamic hinge moment of a control surface is an essential rig for conducting performance and stability tests of aircraft actuation systems. The hinge moment varies widely over the flight envelope, depending on the specific flight condition and maneuvering status. To replicate the wide spectrum of this hinge moment variation within some accuracy hounds, a force controller is designed based on the Quantitative Feedback Theory (QFT). A dynamic model of the load actuation system Is derived, and compared with experimental results. Through this comparison, a nominal model of the load actuation system with some uncertainty bounds is developed. The efficacy of the QFT force controller is verified by a numerical simulation, in which combined aircraft dynamics, flight control law and hydraulic actuation system dynamics of the aircraft control surface are considered     

Full mode flight dynamics modelling and control of stopped-rotor UAV

The Stopped-Rotor (SR) UAV combines the advantages of vertical take-off and landing of helicopter and high-speed cruise of fixed-wing aircraft. At the same time, it also has a unique aerodynamic layout, which leads to great differences in the control and aerodynamic characteristics of various flight modes, and brings great challenges to the flight dynamics modelling and control in full-mode flight. In this paper, the flight dynamics modelling and control method of SR UAV in full-mode flight is studied. First, based on the typical flight profile of SR UAV when performing missions, using the theory and method of fuzzy mathematics, the T-S flight dynamics model of SR UAV in full-mode flight is established by synthesizing the flight dynamics model of each flight mode. Then, an explicit model tracking and parameter adjusting control system based on fuzzy theory is designed to enhance the stability of the inner loop of SR UAV in full-mode flight, which effectively reduces the coupling between axes and improves the control quality of the system. Finally, the outer loop control system is designed by using classical control method, and the control law of SR UAV in full-mode automatic flight is obtained. The simulation results show that the proposed control system design method is feasible and effective, which lays a solid foundation for the subsequent engineering implementation of the SR UAV.     

Flight dynamics characteristics of canard rotor/wing aircraft in helicopter flight mode

The aerodynamic layout of the Canard Rotor/Wing(CRW) aircraft in helicopter flight mode differs significantly from that of conventional helicopters. In order to study the flight dynamics characteristics of CRW aircraft in helicopter mode, first, the aerodynamic model of the main rotor system is established based on the blade element theory and wind tunnel test results. The aerodynamic forces and moments of the canard wing, horizontal tail, vertical tail and fuselage are obtained via theoretical analysis and empirical formula. The flight dynamics model of the CRW aircraft in helicopter mode is developed and validated by flight test data. Next, a method of model trimming using an optimization algorithm is proposed. The flight dynamics characteristics of the CRW are investigated by the method of linearized small perturbations via Simulink. The trim results are consistent with the conventional helicopter characteristics, and the results show that with increasing forward flight speed, the canard wing and horizontal tail can provide considerable lift,which reflects the unique characteristics of the CRW aircraft. Finally, mode analysis is implemented for the linearized CRW in helicopter mode. The results demonstrate that the stability of majority modes increases with increasing flight speed. However, one mode that diverges monotonously,and the reason is that the CRW helicopter mode has a large vertical tail compared to the conventional helicopter. The results of the dynamic analysis provide optimization guidance and reference for the overall design of the CRW aircraft in helicopter mode, and the model developed can be used for control system design.