超机动飞机的非线性动态逆控制

讨论了应用非线性动态逆进行超机动飞机飞行控制系统的设计。对快变量角速率进行非线性逆控制器的设计,由此来稳定纵向短周期运动,并通过气动舵面与推力矢量的融合,来改善大迎角范围的侧向响应,对慢变量姿态角进行非线性逆控制器的设计可使飞行员控制飞机慢运动。     

基于B-Splines网络的飞行姿态控制器设计

设计了一种自适应飞行姿态控制器,在某一飞行条件下,建立了某型飞机的滚转通道动态逆模型,针对动态逆控制需要获得飞机精确数学模型的难点,基于B-Splines函数,构建了B-Splines网络,在线逼近模型逆误差,并根据李亚普诺夫能量函数推导了B-Splines网络权值的更新算法,确保模型跟踪误差和网络权值的有界性。仿真结果表明,该控制器能够对模型逆误差快速自适应,系统对输入命令有较好的响应特性。     

LQR与Fuzzy控制在飞机俯仰运动中的对比仿真

目的为解决传统PID控制控制参数固定、控制响应速度慢、超调量大,难以完成飞机自动驾驶仪俯仰系统控制的问题;方法分别设计LQR最优控制器和模糊控制器,并建立对应的Matlab控制模型进行仿真研究;结果阶跃响应仿真实验结果表明,飞机俯仰系统LQR控制器与模糊控制器比飞机俯仰系统PID控制器更好地实现对飞机俯仰角的控制,具有响应快速,超调小,误差小的优点;飞机俯仰系统LQR控制器比模糊控制器响应更快,跟踪性能更好;结论飞机俯仰系统模糊控制器在抗干扰鲁棒性、跟踪性能和稳态性能指标综合考虑上优于LQR控制器,更适用于实际的飞行环境。     

基于SPH的小型飞机水上迫降姿态数值仿真

适航条例中要求飞机必须具备良好的水上迫降性能。早期主要通过试验方法研究飞机的水上迫降性能,但是试验耗资巨大、时间周期长。采用一种新型的数值模拟方法研究飞机水上迫降问题,利用光滑质点流体动力学(SPH)方法模拟三级波浪,建立小型飞机水上迫降模型。考虑到飞机姿态角和起落架收放状态对迫降性能的影响,建立7种计算工况,模拟得到相应的加速度响应和姿态角变化。以飞机在迫降过程中应该受到较小的加速度响应和姿态角变化为依据,通过对比分析计算结果,最终给出12°姿态角、起落架收起为最优迫降状态的结论,为飞机迫降的入水姿态提供技术支持。     

基于生成对抗近端策略优化的机动策略优化算法

针对传统强化学习算法在生成空战机动策略时存在收敛效率低、专家经验利用不足的问题,研究了基于生成对抗-近端策略优化的策略生成算法。算法采用判别器-策略-价值(DAC)网络框架,在近端策略优化(PPO)算法基础上,利用专家数据和环境交互数据训练判别器网络,并反馈调节策略网络,实现了约束策略向专家策略方向优化,提高了算法收敛效率和专家经验利用率。仿真环境为基于 JSBSim开源平台的 F-16飞机空气动力学模型。仿真结高,PPO果表明,本文算法收敛效率高于算法,生成的策略模型具备较好的智能性。     

飞机简化模型水上迫降入水的数值研究

在飞机水上迫降过程中,其尾部吸力对姿态角的变化具有重要影响.基于Fluent软件,利用动网格技术、用户自定义函数(UDF)、六自由度(6DOF)模型、流体体积(VOF)模型,首先对二维圆柱、三维椭圆抛物体垂直入水以及三维平板水平划水进行数值模拟,并与试验结果对比验证模拟方法的可靠性;然后对NACA TN 2929简化飞机模型进行水上迫降数值模拟.研究发现:尾部吸力使飞机俯仰姿态角发生剧烈变化,入水初期尾部吸力产生的抬头力矩使飞机姿态角快速增加,当姿态角达到最大时,尾部吸力产生的抬头力矩很小,在重力作用下飞机姿态角快速减小.本文所采用的三维数值模拟方法能够较好地模拟飞机水上迫降过程中的吸力和姿态角变化.     

基于RBF网络的质量矩导弹姿态控制

研究了三轴稳定质量矩导弹姿态控制问题.建立了内部带有3个可移动滑块的数学模型.利用RBF(radial basis function)网络的快速自学习、自适应特性, 作为被控对象的模型, 不断调整PID控制器的参数, 协调控制滑块位置, 从而改变导弹的飞行姿态.最后讨论了滑块运动特性对系统性能的影响并对系统稳定性进行了分析.仿真结果表明该控制律在保证系统稳定的情况下有效地实现导弹的姿态调整, 并且提高了系统的动态响应品质.      

舰载飞机着舰航迹角控制器设计

为提高舰载飞机的着舰精度,基于总能量控制理论设计了着舰下滑航迹角控制器。频域分析结果表明,该控制系统使航迹角的响应带宽为1.21rad/s,满足了设计要求。基于非线性模型的仿真结果表明,该系统不但能够使航迹角快速地响应阶跃输入指令和保持飞行速度基本不变,且对于气动参数的摄动具有较好的鲁棒性。     

基于深度强化学习的四足机器人后空翻动作生成方法

四足机器人灵巧运动技能的生成一直受到机器人研究者们的广泛关注,其中空中翻滚运动既能展现四足机器人运动的灵活性又具有一定的实用价值.近年来,深度强化学习方法为四足机器人的灵巧运动提供了新的实现思路,利用该方法得到的闭环神经网络控制器具有适应性强、稳定性高等特点.本文在绝影Lite机器人上使用基于模仿专家经验的深度强化学习方法,实现了仿真环境中四足机器人的后空翻动作学习,并进一步证明了设计的后空翻闭环神经网络控制器相比于开环传统位置控制器具有适应性更高的特点.     

基于自抗扰控制的机翼受损飞机姿态控制器设计

飞机结构受损会导致飞机质量、重心和气动特性发生突变、对称性破坏以及较强的运动耦合,严重影响飞行安全.以机翼受损飞机为研究对象,采用质量微元法建立重心偏移飞机的动力学模型,分析其动态特性,并设计了基于自抗扰控制的姿态控制器.仿真结果表明,自抗扰控制器表现出良好的控制性能,针对突然受损情况设计的控制器具有较强的鲁棒性,能实时补偿结构受损引起的干扰力矩,快速准确地跟踪控制指令.     

Energy-optimal trajectory planning for solar-powered aircraft using soft actor-critic

High-Altitude Long-Endurance (HALE) solar-powered Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) can utilize solar energy as power source and maintain extremely long cruise endurance, which has attracted extensive attentions from researchers. Trajectory optimization is a promising way to achieve superior flight time because of the finite solar energy absorbed in a day. In this work, a method of trajectory optimization and guidance for HALE solar-powered aircraft based on a Reinforcement Learning (RL) framework is introduced. According to flight and environment information, a neural network controller outputs commands of thrust, attack angle, and bank angle to realize an autonomous flight based on energy maximization. The validity of the proposed method was evaluated in a 5-km radius area in simulation, and results have shown that after one day-night cycle, the battery energy of the RL-controller was improved by 31% and 17% compared with those of a Steady-State (SS) strategy with a constant speed and a constant altitude and a kind of state-machine strategy, respectively. In addition, results of an uninterrupted flight test have shown that the endurance of the RL controller was longer than those of the control cases.     

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。     

基于流场感知的小型飞行器姿态控制

小型飞行器由于外形尺寸等限制很难实现理想的姿态控制，而自然界中的鸟类却可以完成高质量的飞行，原因是它们能够获得自身周围的气流信息。受这些自然现象的启发，设计了一个基于流场感知的小型飞行器姿态控制系统。通过流场感知的气流信息（压力和剪应力）可以计算出气动力和力矩。建立了一种小型飞行器的非线性三轴姿态动力学模型，将力矩信息引入姿态运动，然后利用非线性模型预测控制来设计姿态控制器。与传统的控制方法相比，这种新型控制方法不需要从气动实验获得的先验信息，所用的参数都是由在线测量得到的数据计算得出的，因此能及时感知外界环境变化并减少响应时间。仿真结果表明，该控制方法可以提高小型飞行器在复杂流场环境下姿态控制系统的性能。     

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

考虑预设性能约束的运输机姿态容错控制

针对运输机舵面故障情况下的姿态容错控制问题,提出了一种考虑预设性能约束的自适应指令滤波增量反步(Adaptive Command-filtered Incremental Backstepping,ACFIBS)容错控制器。首先,构造运输机故障模型,在反步控制设计结构下,通过构造预设性能函数,保证外回路姿态角跟踪误差的动态性能。然后,考虑舵机偏转速率和幅值限制,引入受限指令滤波器和补偿信号,综合考虑气动参数不确定性,采用增量方法设计反步内环控制律。在此基础上,进一步考虑舵面故障情况,引入自适应方法及低通滤波器改进增量反步控制器。最后,通过理论推导和仿真试验验证了控制方法的有效性。仿真结果表明,所设计的控制器具有良好的容错性能,在不同舵面故障条件下均可实现对指令信号的预设性能跟踪,且在参数摄动情况下具有较强的鲁棒性。     

四旋翼飞行器姿态控制建模与仿真

四旋翼飞行器是典型的欠驱动、非线性、强耦合系统。其姿态控制精度和抗干扰问题一直是研究热点之一。为了实现小型低成本四旋翼飞行器姿态准确控制,详细分析了四旋翼飞行器受力情况,利用牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器非线性动力学模型,针对四旋翼飞行器在实际飞行过程中经常会遇到阵风、气流等不确定外界干扰,设计了基于小扰动的PID控制器,并通过对俯仰通道、横滚通道、偏航通道MATLAB/Simulink仿真模型进行仿真测试和结果分析。结果表明:所设计控制算法能够满足四旋翼飞行器姿态控制要求,并具有较好的抗干扰性能。     

机轮防滑刹车控制方法的研究

分析了机轮防滑刹车系统的工作原理和防滑工作过程,介绍了减速度控制法、有限状态机法和滑移率控制法在3种防滑刹车控制器设计中的应用,阐述了使用模糊控制算法、滑模变结构控制算法和人工神经网络算法的滑移率控制器的设计。     

民用飞机控制律对偏航机动载荷影响分析

飞机机动过程中方向舵快速大幅偏转会使方向舵和垂尾上产生较大气动载荷并传递到后机身,导致 驾驶员来回往复蹬舵造成安全事故。针对 CCAR-25部25.351条规定的偏航机动情况及 CS-25部25.353规定的偏航机动新条款——方向舵往复偏转,本文首先对两种偏航机动条款分别进行分析;然后考虑控制律进行 偏航机动情况机动仿真计算;最后通过比较分析飞机响应运动参数及垂尾载荷计算结果,并分析控制律对偏航 机动载荷的影响。结果表明:对于偏航机动,考虑控制律后飞机的响应幅度有所缓减,导致垂尾载荷有所降低; 对于偏航机动新条款,由于方向舵反向偏转导致侧滑角贡献和方向舵偏度贡献垂尾载荷两者叠加,从而导致垂 尾载荷大幅增加;P-Beta控制律有效降低了方向舵往复偏转的垂尾载荷。     

基于新型神经网络的航空发动机多变量控制

根据PID控制结构提出了一种新型神经网络控制器,对其基本结构和学习算法等进行了分析。结合某型航空涡喷发动机双变量控制需求,利用2个结构相同、相互联系的神经网络,实现了发动机双变量控制和接耦。在不同飞行条件、不同发动机工作状态下的仿真表明,控制器具有良好的控制性能     

Virtual flight test of pitch and roll attitude control based on circulation control of tailless flying wing aircraft without rudders

Circulation Control(CC) realizes rudderless flight control by driving compressed air jet to generate a virtual rudder surface, which significantly improves low detectability. The layout plan of combined control rudder surface is proposed based on the tailless flying wing aircraft. The closed-loop jet actuator system and stepless rudder surface switching control strategy are used to quantitatively study the control characteristics of circulation actuator for pitch and roll attitude through 3-DOF ...