舰尾流影响下的舰载机着舰控制与仿真研究

舰载机着舰时处于“低速大迎角下滑”的飞行状态,飞机的操纵性下降,加上舰尾雄鸡尾流的干扰,如果不能很好地控制很可能造成着舰失败。搭建考虑高度影响的舰载机着舰动力学模型,从“力与运动的动态关系”和“能量转换”两个角度进行舰载机着舰过程物理机理的研究,并利用模糊PID控制器的快速收敛能力对比分析迎角、速度和高度三个反馈量,升降舵和油门杆两个控制量,共六个控制通道的控制机理和内在关系,得出它们的优劣势和适用情况。进行有风扰动下的控制仿真及分析,筛选出油门杆高度反馈PID控制器作为舰尾流扰动下的控制系统,仿真结果验证了该控制器的有效性。     

基于直接升力与动态逆的舰尾流抑制方法

在复杂的作战和着舰环境下,舰尾气流扰动是着舰误差的最主要来源之一。如果在着舰下滑阶段利用直接升力控制（DLC）的快速性和解耦性能力,可以极大地减轻飞行员着舰操纵负担并且提高着舰最后阶段对舰尾流的抑制能力。从航迹调节和姿态稳定的解耦角度出发,提出在非线性动态逆（NDI）控制框架下实现基于直接升力的着舰控制律方法,并通过建立含有舰尾流扰动的E-2C全量飞机仿真模型进行验证。结果表明：在非线性动态逆控制中引入直接升力的舰载机着舰控制律,可以实现在着舰下滑阶段姿态稳定的同时,通过直接升力快速解耦调节航迹误差,并且在引入舰尾流干扰的情况下,具有快速修正下滑倾角误差、抑制舰尾流干扰的能力,最终达到显著提高着舰精度的效果。     

舰载机着舰侧向轨迹增量控制

针对舰载机着舰侧向控制难度较大的问题,借鉴美国海军的“魔毯”(MAGIC CARPET)着舰的先进理念,提出了 1种新的着舰控制方法,即侧向轨迹增量控制。首先,分别从理论上分析了侧向常规控制、侧向轨迹增量控制的控制结构和着舰性能;然后,对 HUD显示符号进行改进;最后,通过实时仿真,比较了这 2种方法的着舰控制效果。结果显示,着舰侧向轨迹增量控制具有 3个优点:1)简易,降低了飞行员的操纵频次和负担;2)直观,着舰侧向操纵更直观,侧向杆量与飞机侧偏修正速率成正比例,而且当横杆回中时飞机能自动跟踪跑道中心线的横向漂移;3)鲁棒,显著提高了对侧风和舰尾流的抑制能力,即使在飞行员不操纵的情况下,飞机也能迅速反应和抑制风干扰。因此,建议在着舰工程中采用侧向轨迹增量控制。     

舰载机着舰下滑中油门操纵对迎角的影响及修正

针对舰载机着舰下滑阶段,油门操纵对迎角的影响,建立着舰下滑纵向小扰动方程,分析影响机理,仿真油门对迎角的影响过程及驾驶员的应对操纵,总结驾驶员保持下滑道精准操纵油门和驾驶杆的配合方式及训练中需要克服的问题,对保证安全着舰具有借鉴意义。     

中性速度稳定转正向速度稳定控制律瞬态抑制方法

为解决中性速度稳定性控制律切换到正向速度稳定性控制律过程中飞机瞬态大以及飞行员操纵负担重的问题,提出了一种控制律转换过程中保持平尾偏度不变的瞬态抑制方法并进行了仿真。首先分析了控制律转换过程中飞机状态变化大的原因;然后通过存储器使控制律模态转换后平尾偏度不变;最后通过逻辑运算选取飞行员操纵指令。仿真结果表明,所设计的瞬态抑制方法能够明显减小控制律转换过程中的飞机瞬态变化量,同时显著减轻飞行员负担。     

副翼-差动平尾组合横滚操纵系统的研究(三)

4 使用问题及可靠性问题 4.1 “抢舵面”问题所谓“抢舵面”问题,是指平尾最大结构限制偏度按最大俯仰操纵偏度给定后,在大杆量俯仰操纵的同时压杆,如俯仰和差动操纵偏度绝对值相叠加的一侧平尾达到了结构限制度,发生助力器行程到头而顶死,引起俯仰操纵受限制拉(推)杆到不了头(即所谓舵面被差动操纵抢先占用了),或压杆到不了头(即所谓舵面被俯仰操纵抢先占用了)的现象。此时如想继续拉(推)杆到头则必须退回一些压杆量,反之如想继续压杆     

舰载机着舰时航迹稳定性研究

本文讨论了舰载飞机以小于有利速度着舰时的航迹稳定性问题。在分析飞机航迹稳定性的同时,还对油门杆控制、机动襟翼控制对改善航迹稳定性的作用进行了初步探讨;在此基础上还讨论了舰载飞机加装波束导引系统对着舰过程的影响原理。结果表明:采用油门杆控制、机动襟翼控制来改善着舰阶段的航迹稳定性是可行的:而且用以上两控制系统作为内环的自动驾驶仪在波束导引系统自动导引飞机着舰过程中,能控制飞机的飞行速度、高度,帮助驾驶员操纵。     

侧向自动着舰引导控制L1自适应设计

针对具有不确定性及外部干扰的着舰轨迹精确跟踪控制问题,提出了一种对侧向自动着舰引导控制内外回路进行综合化设计的方法.使用特征结构配置实现侧向模态解耦跟踪控制,同时设计L1自适应控制器以补偿系统由于不确定性、舵面故障、舰尾流干扰带来的不利影响,将其应用到侧向自动着舰控制系统.仿真结果表明,对内外回路进行综合设计的着舰引导控制律具有抑制不确定性及干扰的能力,能够实现对侧向自动着舰轨迹的精确跟踪控制.     

仅调节发动机推动的应急飞行控制研究

研究并开发仅调节发动机推力大小来控制飞机航迹的增强控制模态，有效地抑制了飞机纵向的沉浮运动，侧向的荷兰滚运动，从而当飞机舵操纵系统失灵后，只调节发动机油门，使飞机安全着陆。     

舰载飞机着舰下滑跃升操纵策略仿真与分析

为了对舰载飞机着舰下滑时的跃升操纵策略进行研究,建立了飞机飞行动力学模型和驾驶员模型.在此基础上,根据“50 ft跃升规范”要求,以F/A-18舰载飞机为例,运用MATLAB/SIMULINK软件,对采取不同操纵策略下的飞机跃升飞行历程进行了仿真分析.结果表明,F/A-18舰载飞机在着舰下滑状态下无法达到“50 ft跃升规范”.此外,飞机在不开启动力补偿的情况下,飞行员需同时操纵油门杆和驾驶杆来实现轨迹跃升.     

Dynamic characteristics analysis and flight control design for oblique wing aircraft

The movement characteristics and control response of oblique wing aircraft (OWA) are highly coupled between the longitudinal and lateral-directional axes and present obvious nonlinear-ity. Only with the implementation of flight control systems can flying qualities be satisfied. This arti-cle investigates the dynamic modeling of an OWA and analyzes its dynamic characteristics. Furthermore, a flight control law based on model-reference dynamic inversion is designed and ver-ified. Calculations and simulations show that OWA can be trimmed by rolling a bank angle and deflecting the triaxial control surfaces in a coordinated way. The oblique wing greatly affects lon-gitudinal motion. The short-period mode is highly coupled between longitudinal and lateral motion, and the bank angle also occurs in phugoid mode. However, the effects of an oblique wing on lateral mode shape are relatively small. For inherent control characteristics, symmetric deflection of the horizontal tail will generate not only longitudinal motion but also a large rolling rate. Rolling moment and pitching moment caused by aileron deflection will reinforce motion coupling, but rud-der deflection has relatively little effect on longitudinal motion. Closed-loop simulations demon-strate that the flight control law can achieve decoupling control for OWA and guarantee a satisfactory dynamic performance.     

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。     

STOVL飞机发动机多变量控制方法

短距起飞/垂直降落（STOVL）飞机发动机已采用多变量控制方法。基于鲁棒稳定性和条件数分析、块相对增益矩阵分析，对STOVL飞机发动机不同工作模式下的三变量控制系统输出选择和控制结构设计进行了研究。对常规工作模式，提出了基于多目标优化的三变量分块解耦控制方法，通过定义最优指标实现动态跟踪和分块间的耦合抑制。对常规工作模式和垂直起降工作模式间的切换，提出基于升力风扇功率前馈的复合控制方法，以消除负载变化对系统性能的影响。仿真结果表明:提出的控制方法能够保证常规工作模式下良好的解耦控制效果，能够实现不同工作模式间的平稳过渡，验证了控制方法的可行性。      

微下冲气流对飞机着陆性能的影响

针对飞机在下滑着陆阶段穿越微下冲气流的问题,建立了微下冲气流影响下的飞机纵向运动数学模型。用数值方法计算了微下冲气流对空速、迎角和航迹的影响,结果表明,飞机在穿越微下冲气流时,空速、迎角、下滑航迹变化很明显,飞行员操纵和判断的难度会增大。特别是顺风阶段,航迹比正常偏低很多,对飞机的安全着陆影响很大。     

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。      

F/A-18E/F全自动着舰飞行特性分析

以F/A-18E/F舰载机为对象,针对航迹精确控制和安全性要求,分析了舰载机全自动着舰飞行特性。首先,基于自动着舰控制系统,建立了全自动着舰飞行控制系统的动力学模型;然后,对下滑轨迹纠偏与控制能力、控制器指令响应特性、变换下滑道机动特性进行了仿真分析。仿真结果表明,在全自动着舰安全边界范围内,舰载机能在较短时间内将航迹控制在理想下滑线附近;控制器具有良好的高度变化率、俯仰角、俯仰角速度等状态指令响应特性及控制面指令响应特性;F/A-18E/F变换下滑道机动则需要配合油门完成,说明仅通过平尾控制实现该机动并非安全着舰的必要条件。     

Sliding mode control design for oblique wing aircraft in wing skewing process

When the wing of Oblique Wing Aircraft (OWA) is skewed, the center of gravity, inertia and aerodynamic characteristics of the aircraft all significantly change, causing an undesirable flight dynamic response, affecting the flying qualities, and even endangering the flight safety. In this study, the dynamic response of an OWA in the wing skewing process is simulated, showing that the three-axis movements of the OWA are highly coupled and present nonlinear characteristics during the wing skewing. As the roll control efficiency of the aileron decreases due to the shortened control arm in an oblique configuration, the all-moving horizontal tail is used for additional roll and the control allocation is performed based on minimum control energy. Given the properties of pitch-roll-yaw coupling and control input and state coupling, and the difficulty of establishing an accurate aerodynamic model in the wing skewing process due to unsteady aerodynamic force, a multi-loop sliding mode controller is formulated by the time-scale separation method. The closed-loop simulation results show that the asymmetric aerodynamics can be balanced and that the velocity and altitude of the aircraft maintain stable, which means that a smooth transition is obtained during the OWA’s wing skewing.