改进ADRC及其在飞行增稳控制中的应用

非线性自抗扰控制器(ADRC)具有极强的鲁棒性和优异的控制性能,但控制器参数设计较为繁琐。引入了新的非线性函数,简化了控制器的参数设计,且非线性扩张状态观测器(ESO)在原点处具有渐进稳定性。设计了基于模型跟踪的一阶ADRC飞机纵向增稳控制器。仿真结果表明,在大飞行包线内飞机的动态特性发生了很大变化,不改变ADRC参数而只进行跟踪模型动压调参,飞行控制系统均满足一级品质要求,表现了极强的鲁棒性能。     

基于ANN逆模型的非线性系统内模控制结构方案及仿真研究

基于逆模型的非线性系统控制器设计方法已得到了快速发展,并成为设计控制系统的一种重要方法。但对大量复杂、未知和不确定的非线性对象,建立具有一定通用性的逆模型控制器,在实际非线性系统设计中是非常困难的。文中基于系统内模控制（IMC）原理和神经网络（ANN）的非线性映射、大规模并行处理等特性,设计了非线性系统的ANN正模型辨识器及逆模型控制器,基于IMC原理和ANN理论建立了非线性系统的IMC结构方案。大量仿真研究表明,设计的基于ANN逆模型的IMC结构方案是有效的,ANN逆模型控制器具有良好控制性能,且其结构简单,具有一定通用性。     

起落架载荷的自校正控制

通过建立自校正控制起落架的非线性模型和系统的ARMAX模型,对控制器进行了设计,并结合参数辨识,实现了起落架的自校正控制。计算机仿真结果表明,此方案有效地改善了飞机起落架的缓冲性能。     

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.     

抗尾流干扰的自动着舰非线性控制研究

由于飞机与尾流模型的非线性,为实现自动精确着舰,探究了具有尾流抑制能力的非线性控制器设计方法.基于气流扰动影响的飞机六自由度非线性模型,利用非线性动态逆控制方法对各控制回路进行了设计,为抑制尾流扰动,提出了应用非线性观测器进行补偿的方法.仿真结果表明,具有非线性干扰观测器的控制器可以在4s内使飞机稳定在速度为52.04 m/s,并使航迹角保持在±0.5°变化范围内,最终的着舰侧向偏差为-0.13m.     

基于神经网络补偿动态逆的飞翼布局无人机姿态控制方法

将动态逆控制技术应用于飞翼式布局无人机的姿态控制回路,以适应飞翼布局无人机控制系统要求。介绍了动态逆控制器解耦控制原理,以及神经网络补偿结构的作用和设计方法,并基于无人机非线性姿态运动学和动力学模型设计了基于神经网络补偿的动态逆控制器。在强耦合、强非线性的飞翼布局无人机模型上,通过数学仿真验证了系统具有良好的动态性能和稳态特性,控制器具有很强的鲁棒性。     

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。     

空间站姿态/动量联合非线性控制

从Lyapunov稳定性理论出发,设计了一个非线性控制器,实现了空间站姿态和控制力矩陀螺角动量的联合控制。在此基础上,为抑制周期性环境干扰力矩对姿态控制性能的影响,引入了周期性扰动抑制滤波器,对非线性姿态/动量控制器进行了改进。改进的控制器不但可以抑制空间站姿态的周期性波动,而且可在满足特定飞行任务的前提下,建立空间站指向和控制力矩陀螺动量管理间的折中。控制器参数物理意义明确,易于调整。对空间站姿态控制/动量管理系统的仿真结果表明,该控制器是可行的。     

喷嘴为执行机构的空间飞行器基于误差四元数的非线性姿态跟踪控制

研究带喷嘴空间飞行器在姿态跟踪机动时的多轴耦合非线性姿态控制问题。姿态运动学和动力学用误差四元数描述。通过线性变换将误差四元数动力学方程转换成 4个摄动双积分系统 ,并基于此摄动双积分系统设计了开关控制器。由误差四元数及其导数构成的抛物型开关函数决定了控制器中的逻辑。文章考虑了最短的姿态捕获路径、外部干扰抑制、和不确定参数补偿问题。控制器允许力矩矩阵为非对称 ,从而使喷气执行机构的安装有更好的灵活性。由于不需要目标的加速度反馈 ,控制器可用于对机动目标的跟踪。用相平面方法分析了闭环系统的鲁棒稳定性。仿真结果验证了控制方案的可行性     

加速度反馈的隐式动态逆鲁棒非线性控制律设计

针对常规显式非线性动态逆(NDI)控制鲁棒性差的问题,综合隐式动态逆和奇异摄动分层设计,引入状态速率（导数）反馈和操纵面的当前位置信号反馈,设计了隐式增量形式的动态逆控制律。控制律中不显含基于标称模型的非线性直接状态反馈,不需要完整的飞机气动力模型,降低了控制律对于模型的敏感度。利用过载测量信号,采用几何的方法,构建了角加速度信号,对于其他状态速率信号,基于飞机动力学方程,以代数计算的方法求解得到。控制律结构简单,当飞机存在外形损伤、舵面失效或传感器失效时,能够迅速实现测量信号的隔离、反馈信号的重建和控制的重新分配和控制律重构。针对某飞机进行控制律设计和数值仿真,结果表明在存在气动力摄动的情况下,控制律具有良好的鲁棒性。     

Active fault tolerant control for vertical tail damaged aircraft with dissimilar redundant actuation system

This paper proposes an active fault-tolerant control strategy for an aircraft with dissim-ilar redundant actuation system (DRAS) that has suffered from vertical tail damage. A damage degree coefficient based on the effective vertical tail area is introduced to parameterize the damaged flight dynamic model. The nonlinear relationship between the damage degree coefficient and the corresponding stability derivatives is considered. Furthermore, the performance degradation of new input channel with electro-hydrostatic actuator (EHA) is also taken into account in the dam-aged flight dynamic model. Based on the accurate damaged flight dynamic model, a composite method of linear quadratic regulator (LQR) integrating model reference adaptive control (MRAC) is proposed to reconfigure the fault-tolerant control law. The numerical simulation results validate the effectiveness of the proposed fault-tolerant control strategy with accurate flight dynamic model. The results also indicate that aircraft with DRAS has better fault-tolerant control ability than the traditional ones when the vertical tail suffers from serious damage.     

折叠机翼变体飞机非对称变形控制效率分析

折叠机翼变体飞机变形量大,变形引起的气动参数变化显著,提出一种将非对称变形作为操纵输入的控制方案,研究非对称变形的控制效率和有效区间。首先建立能够完整描述变形过程的非线性动力学方程和气动力模型;然后基于非对称变形控制方法建立一种非对称变形操纵模型;最后通过与常规操纵面效率对比和仿真的动态响应总结出非对称变形操纵的最大变形操纵有效区间。结果表明:在较低飞行速度下非对称变形操纵效率高,非对称变形操纵能够在基准折叠角度90°附近提供最高的滚转操纵效率。     

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。     

大型运输机推力不对称补偿控制律设计

为了补偿推力不对称对大型飞机造成的影响,基于推力不对称对飞机姿态及运动的影响分析,提出了引入侧滑角反馈的横航向控制律补偿方案,并进行了仿真验证。仿真结果表明,补偿后的控制律能够减小侧向偏离、侧滑角及滚转角,保持航向和飞行姿态,从而减轻了飞行员负担,保证了飞行安全。     

Dynamics modeling and control of a transport aircraft for ultra-low altitude airdrop

The nonlinear aircraft model with heavy cargo moving inside is derived by using the separation body method, which can describe the influence of the moving cargo on the aircraft attitude and altitude accurately. Furthermore, the nonlinear system is decoupled and linearized through the input–output feedback linearization method. On this basis, an iterative quasi-sliding mode(SM)flight controller for speed and pitch angle control is proposed. At the first-level SM, a global dynamic switching function is introduced thus eliminating the reaching phase of the sliding motion.At the second-level SM, a nonlinear function with the property of ‘‘smaller errors correspond to bigger gains and bigger errors correspond to saturated gains' ' is designed to form an integral sliding manifold, and the overcompensation of the integral term to big errors is weakened. Lyapunovbased analysis shows that the controller with strong robustness can reject both constant and time-varying model uncertainties. The performance of the proposed control strategy is verified in a maximum load airdrop mission.     

Damage-mitigating control of aircraft for enhanced structuraldurability

The concept and a design methodology for robust damage-mitigating control (DMC) of aircraft is presented. The goal of DMC is to simultaneously achieve high performance and structural durability and the design procedure is based on damage mitigation at critical structures and retention of the flight performance. An aeroelastic model of the wings has been formulated and is incorporated into a nonlinear rigid-body model of aircraft flight-dynamics. Robust damage-mitigating controllers are then designed using the H_∞-based structured singular value (μ) synthesis method based on a linearized model of the aircraft. In addition to penalizing the error between the ideal performance and the actual performance of the aircraft, frequency-dependent weights are placed on the strain amplitude at the root of each wing, Using each controller in turn, the control system is put through an identical sequence of maneuvers, and the resulting (varying amplitude cyclic) stress profiles are analyzed using a fatigue crack growth model that incorporates the effects of varying-amplitude cyclic loading. Comparisons are made to determine the impact of different strain-amplitude weights on the resulting flight performance and fatigue crack damage in the wings. The results of simulation experiments show significant savings in fatigue life of the wings while retaining the dynamic performance of the aircraft     

Nonlinear dynamic behavior of a flexible asymmetric aero-engine rotor system in maneuvering flight

Aero-engine rotor systems installed in aircraft are considered to have a base motion. In this paper, a flexible asymmetric rotor system is modeled considering the nonlinear supports of ball bearings and Squeeze Film Dampers (SFDs), and the dynamic characteristics of the rotor system under maneuvering flight are systematically studied. Effects of the translational accelerative motions, the angular motions and the pitching flight with combined translational and angular motions on nonlinear dynamic behavior of the rotor system are investigated. The results show that, due to the nonlinear coupled effects among the rotor, ball bearings and SFDs, within the first bending resonance region, responses of the rotor show obvious nonlinear characteristics such as bistable phenomenon, amplitude jumping phenomenon and non-synchronous vibration. Translational acceleration motion of the aircraft leads to axis offset of the rotor system and thus results in the reduction and the final disappearance of the bistable rotating speed region. The pitching angular motion mainly affects rotational vibration of the rotor system, and thus further induces their transverse vibrations. For the pitching flight with combined translational and angular motions, a critical flight parameter is found to correspond to the conversion of two steady responses of the rotor system, in which one response displays small amplitude and synchronous vibration, and the other shows large amplitude and non-synchronous vibration.     

自适应模糊-滑模控制在重构飞行控制中的应用

 论述了综合运用非线性动态逆、自适应模糊系统和滑模控制的优点进行飞行控制律设计的方法。运用非线性动态逆理论对非线性系统进行近似线性化 ,用模糊自适应系统来抵消近似非线性逆带来的误差 ,最终的残差由滑模控制项补偿。根据李亚普诺夫稳定性理论推导了自适应系统权值的调整规律 ,从而保证了闭环系统的稳定性。将此方法应用于带推力矢量飞机重构飞行控制 ,对两类故障的仿真结果表明 :即使系统未检测到故障 ,在较大的舵面损伤情况下 ,飞控系统性能仍能得到很好的保持。     

倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化

利用最优控制方法研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程,并得到最优操纵策略,使得由时间、姿态角变化以及驾驶员工作负荷等组成的性能指标达到最小。首先,在基本纵向刚体飞行动力学模型的基础上引入混合操纵方程,并使用杆量位移的一阶导数作为控制量,形成适用于计算倾转旋翼机动态倾转过渡过程的飞行动力学模型,从而能在动态倾转操纵策略优化过程中考虑到操纵系统特性对操纵量变化速度的限制,以及避免操纵量在优化过程中出现跳跃不连续。然后,将倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题,建立合理的性能指标,并采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解。最后,以XV-15倾转旋翼机为样机,分别计算正向和逆向最优动态倾转过渡过程,并与驾驶员飞行仿真数据进行对比。结果表明:飞行状态量的时间历程与文献吻合地较好,且俯仰姿态角和杆量位移变化更加柔和。最优控制方法可以用于研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程。     

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。