高性能飞机发展对控制理论的挑战

根据笔者30余年来飞行试验研究的实践,从实际飞行的角度简要综述了影响飞行安全的大迎角过失速机动、超低空重载空投、飞行器突发故障和无人机控制方法研究。描述了操纵稳定性飞行试验获取飞机模型的手段和通常飞行控制器设计对模型的近似,给出了8个飞行鲁棒控制的研究问题;对超低空重载空投控制方法进行了描述,并给出了飞行器出现故障时突变模型和容错控制方法;同时,描述了测量对飞行控制特别是对保障无人机飞行安全的重要性,指出了飞行控制方法研究存在的部分问题,并建议有关高校研究单位从稳定性很好的四旋翼转向固定翼或单旋翼战术无人机等高层次研究。     

飞行器神经元控制系统的研究与设计

提出了一种基于神经元网络的飞行控制系统设计方法 ,该方法设计的神经元飞行控制器具有良好的鲁棒性 ,使飞行器在整个飞行包络内都能保持某种最优的操纵品质。给出的计算机仿真结果显示出神经元网络作为飞行控制器在处理飞行器参数大范围变化的非线性特性方面具有潜在的优良品质     

翼伞空投系统的动力学建模与飞行控制仿真

针对翼伞系统设计及翼伞归航方案的研究需求,提出翼伞系统动力学建模与仿真分析方法,利用动力学仿真软件ADAMS对翼伞空投系统飞行动力学过程进行了计算.针对翼伞系统精确空投任务,利用分段归航方法规划翼伞系统飞行轨迹并搭建PID控制系统对翼伞系统的飞行轨迹进行控制.结果表明:翼伞系统受到单侧下偏操纵时,影响的是翼伞系统的转弯性能,翼伞的飞行轨迹为螺旋形曲线,并且翼伞系统在下降过程中,其转弯半径保持不变,分段归航方法简单,易于实现,满足翼伞归航对落点精度的要求.     

轴对称无人直升机的一种全向控制方法

针对轴对称构型的无人直升机,在速度控制回路的基础上,提出了一种能够保证飞行过程中航向恒定的全向控制方法。通过分析无人直升机的特征值分布、状态响应和操纵响应特性,得到无人直升机在对称轴的法平面内具有各向一致性,具备实现全向控制的条件。提出了将给定速度在对称轴法平面内进行分解,并考虑侧偏修正的全向控制规律。仿真试验表明,全向控制能够精确地跟踪给定航迹,保持飞行过程中的航向恒定,在不转动机体的情况下,实现向各个方向的飞行。方法也可推广到其他类似的轴对称飞行器。     

倾转旋翼飞行器飞行仿真建模

本文分析了旋翼与机体之间空气动力学干扰,推导了在过渡状态时旋翼尾迹对机体空气动力学干扰计算的简化方程,建立了一个全量倾转旋翼飞行器飞行力学数学模型,引进遗传算法进行配平计算,并对倾转旋翼飞行器飞行特性进行了简单分析.样例倾转旋翼飞行器在直升机模式时,操纵通道的操纵响应都不稳定,说明单独操纵飞行器某一通道时响应是不稳定的.随着向飞机模式的转换,操纵通道的主操纵响应逐渐稳定.     

弹性飞机空投载荷设计技术

飞机进行货物空投是进行飞行载荷设计时所需考虑的机动之一,现有的空投载荷设计方法主要是基于刚体飞机运动方程建立的,尚不能解决弹性飞机遭遇阵风时的货物空投载荷设计问题。为了提高空投载荷设计精度,考虑了飞机的弹性振动自由度,提出了弹性飞机遭遇阵风时的货物空投动响应和结构载荷分析方法。对弹性飞机空投动响应分析的主要难点为线性时变系统的动力学建模:基于稳定基底法,推导了弹性飞机货物空投动响应一般运动方程;采用最小状态(MS)法对频域气动力进行有理函数拟合;利用混合建模方法对时域离散阵风激励进行计算。对弹性飞机单件重装货物空投进行了仿真,重点分析了货物对载机地板的作用力和机翼的受载。仿真结果表明,本文提出的弹性飞机货物空投动响应分析方法可以很好地反映飞机的空投受载情况,能够作为弹性飞机空投载荷设计的手段。     

复合式旋翼飞行器多目标控制分配策略

针对复合式旋翼飞行器操纵冗余多模式切换控制问题，提出一种基于赋权多目标混合优化的控制分配策略。该策略根据复合式旋翼飞行器过渡模式舵面操纵特性，建立飞行器带约束过渡过程控制分配模型；设计混合多目标优化性能指标评价函数，有效处理操纵量控制受限、交叉强耦合及非线性特性，并减少舵面耗能；采用改进的粒子群优化算法动态更新操纵量及控制通道的权系数矩阵，提高控制面操纵效率，加快优化搜索速度，快速求解过渡过程多目标控制分配变量。该策略实现复合式旋翼飞行器模式切换过渡过程实时有效地操纵量控制分配，保证飞行器快速准确跟踪控制指令的能力。同时，通过多目标控制分配策略，飞行控制系统不需要增加额外的模式切换控制器，降低系统设计难度，提高安全性。     

飞行器气动/飞行/控制一体化耦合模拟技术

基于非结构重叠网格技术和全局亚迭方法,发展了一种气动、飞行和控制一体化耦合的非定常求解策略,用于飞行器闭环控制的数值虚拟飞行研究。高超声速飞行器按照设计控制律,采用升降舵偏转进行连续变攻角操纵和静不稳定布局稳定控制;数值虚拟飞行逼真显现了上述非定常流动、运动与控制的时序演化过程。数值虚拟飞行与基于气动数据库插值的飞行仿真比较,控制过程和反馈效果十分吻合。     

过驱动飞行器积分滑模容错控制方法

针对过驱动飞行控制系统中执行器故障时的协调分配问题,提出了一种基于积分滑模的容错飞行控制器设计方法.引入虚拟控制思想,构造了多执行器故障条件下飞行器层级结构控制的数学模型.运用小增益定理,推导了系统闭环稳定的充分条件,并基于线性矩阵不等式,建立了最优状态反馈的凸优化模型.以积分滑模面切换函数为变量,选取李雅普诺夫能量函数,设计了渐近稳定的积分滑模控制器.仿真结果表明,该方法可综合考虑执行器完好和故障时的控制效能,能够实现多操纵面容错飞行控制,具有较好的鲁棒性.     

激光推进加速飞行器的飞行控制与数值仿真

激光能够照射到的区域受到限制,飞行器只能在这个范围飞行并尽可能获得较大的速度.考虑两种不同的加速方式:竖直平面内直接加速和螺旋加速,使用程序调参飞行控制技术确定操纵面偏转角度,控制飞行器轨迹,并且给出了相应的仿真结果.结果表明,操纵控制下的飞行器能够按照预定轨迹飞行;使用螺旋加速方式,可以延长激光加速的时间,但是这两种加速方式最后得到的速度差不多, 而螺旋加速的操纵复杂,因此竖直平面内直接加速有一定的优势.     

运输机超低空重装空投纵向反步滑模控制研究

分析了超低空重装空投的空投流程,针对超低空重装空投飞行高度低、空投对象质量大的特点,把空投对象的位置和移动速度作为状态变量对货物移动时飞机运动的非线性方程进行了研究,该方程能准确描述出牵引伞的拉力、空投对象在货舱内的实时位置和移动速度对飞机姿态和高度的影响。同时,利用反馈线性化方法对模型进行输入输出线性化,并利用反步法与滑模控制相结合的方法,设计纵向滑模自适应控制器,解决了纵向不可参数化的不匹配不确定控制问题,实现了飞机在超低空重装空投时高度的稳定,保证飞机安全地完成超低空空投任务。     

飞机主操纵系统疲劳试验载荷谱小操纵位移频次问题研究

针对飞机全机主操纵系统疲劳试验载荷谱中小操纵位移频次影响问题进行了分析和讨论,确定了某机全机主操纵系统小操纵位移频次的级别。同时,在原某机全机主操纵系统疲劳试验载荷谱的基础上再次对其小操纵位移频次进行了计算,去掉了这一级别以下对全机主操纵系统疲劳试验无影响的小操纵位移频次,从而完善了主操纵系统疲劳试验载荷谱。另外,对小操纵位移频次问题研究结果在其全机主操纵系统疲劳试验中的实施效果进行了阐述。     

Variable Structure Control of Catastrophic Course in Airdropping Heavy Cargo

The mathematical model of a transport aircraft would be subjected to a sudden change when heavy cargo is dropped off in airdropping, which exerts serious influences upon the safety of the aircraft. A variable structure controller is specially designed for handling the airdrop process. The nonlinear system is linearized by input-output feedback linearization using differential geometry theories. On this basis, an inner loop system for velocity and attitude tracking control is designed by using the exponentially approaching rule of the variable structure theory. The whole flight control system is integrated with the outer loop flight altitude control. Digital simulation evidences the applicability of the system to potentially catastrophic course in airdropping heavy cargo and provides robustness against system parameter perturbation.     

飞机风载减缓控制技术及其发展

按照飞机风载减缓控制技术的发展过程，分别介绍了基于古典控制理论的风载减缓技术，基于LQG和H∞控制理论的风载减缓技术，以及基于先进控制论中神经元网络和模糊控制理论的风载减缓控制技术，并比较了这些方法的优缺点，另外，阐述了计及非定常气动力及考虑系统弹性影响对飞机风载减缓控制问题的影响。     

可重构飞行控制系统研究

对自修复飞控系统的关键技术－－可重构飞控系统进行了论述。介绍了目前主要的一些重构控制方法的特点，并对控制算法的优缺点及实现条件进行了分析；针对已进行了的可重构飞控系统的飞行试验进行了分析，并对试验结果做出了评价；指出了未来可重构飞控系统的实现途径和发展趋势。     

直升机重装空投状态下的动态特性

为了研究直升机在重装空投过程中货物的运动对直升机姿态角的影响,首先建立了直升机CH-53D的动力学模型,并通过模型仿真结果和直升机飞行实验数据的对比验证了的直升机动力学模型的合理性。然后在直升机动力学模型的基础上,采用分离法建立了直升机重装空投两个阶段的动力学模型,并进行了直升机在悬停和前飞两种空投状态下的配平仿真。结果表明:相较于悬停状态空投,前飞状态空投具有更好姿态保持能力,主要表现在前飞状态下空投只会对直升机的纵向姿态角产生影响,而在悬停状态下空投对直升机的纵横向姿态角都会产生较大的影响。      

放宽静稳定电传客机纵向短周期品质评定方法

民用客机强调飞行的安全性和舒适性,由于设计与使用的特点,其短周期模态的自然频率、操纵灵敏度与带宽均较低,时间延迟较大,且一般采用不同于军用运输机的控制律构型。提出以军用规范作为参照的电传客机飞行品质评定及适航审定方法,是现代民用客机飞行控制律设计的关键问题。为改善某放宽静稳定构型客机的短周期飞行品质,设计了迎角、C^*和过载构型飞行控制律。按咨询通告AC25-7A所给出的操纵品质等级评定方法(HQRM),采用等效系统评定法、高阶频域法和高阶时域法评定了闭环飞机的短周期飞行品质及适航符合性。结果表明,军用规范条款对时延和带宽的限制对于客机可适当放宽。对于迎角构型,等效系统参数准则、带宽准则和俯仰速率响应准则均适用;过载构型评定应采用等效系统参数准则、俯仰速率响应准则;C^*属非常规响应构型,应采用带宽准则和俯仰速率响应准则评定。     

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.