基于非线性动态逆的舰载机直接升力航迹控制

针对舰载机人工进场着舰精确轨迹控制中飞行员操纵负担重、着舰环境复杂的问题,提出采用非线性动态逆(NDI)先进控制方法设计基于直接升力的舰载机精确着舰轨迹控制律。首先,综合分析了"魔毯"技术的控制策略,从航迹调整和姿态保持的直接升力解耦控制角度出发,设计了两层NDI回路;然后,采用合理的控制分配方法实现直接升力的舵面分配。仿真结果表明,所提出的精确着舰控制方法能够有效实现"魔毯"式航迹操纵。     

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.     

一种基于多操纵面控制分配的IDLC人工着舰精确控制方法

传统舰载机采用纵杆控制迎角,油门杆控制下滑的着舰控制方式存在着操纵通道功能耦合,航迹与姿态耦合,着舰精度不高等多种不足。受舰尾流扰动、航母甲板运动等不利因素的影响,飞行员需要进行高频次的下滑修正操纵,身心负担极重。针对这一问题,在对美军魔毯技术（MAGIC CARPET）系统构成与着舰过程分析的基础上,针对三翼面布局飞机提出了一种基于多操纵面控制分配的综合直接力控制（IDLC）人工着舰精确控制方法。仿真分析表明：基于特征结构配置（EA）解耦设计直接力着舰控制方法能够实现飞机纵向运动长周期模态与短周期模态的解耦、油门通道与纵杆通道的解耦,具有抑制舰尾流扰动、稳定飞机下滑状态、减小操纵负担的功能;而基于多操纵面控制分配的设计方案通过鸭翼正偏增升,不但充分发挥了三翼面布局飞机气动舵面增升控制的优势,还减小了平尾配平出舵量,在一定程度上减小了平尾上偏所带来的升力损失。     

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。     

舰尾流对舰载机着舰轨迹和动态响应的影响研究

建立了飞机着舰下滑穿越舰尾流的六自由度飞行动力学模型.引入舰尾流数学模型,对下滑着舰过程进行了动态仿真.结果表明,舰尾流的周期性分量、稳态分量和随机大气紊流分量是飞机迎角和姿态变化的主要因素,最终导致实际着舰点偏离理想着舰点.     

基于ADRC的舰载机着舰飞行控制系统解耦设计

针对舰载机在着舰下滑时飞行轨迹不稳定、在控制升降舵的同时还需要进行发动机推力补偿的问题,建立了舰载机纵向着舰飞行姿态运动模型,采用自抗扰控制技术对着舰飞行控制系统进行解耦。首先,将俯仰角回路和迎角回路中的耦合项视为扰动,设计扩张状态观测器对回路中的状态量和总扰动进行估计;然后,采用非线性状态误差反馈律和扰动实时补偿来计算虚拟控制量,并通过控制分配得到升降舵和发动机推力控制量。仿真结果表明,在升降舵偏转角和发动机推力可用的范围内,所设计的姿态控制系统和动力补偿系统能使航迹角快速、准确地跟踪姿态角指令。     

舰载机横侧向着舰控制律研究

研究了舰载机横侧向着舰控制律。建立了舰尾气流扰动下的舰载机横侧向数学模型;提出了基于滚转角指令控制方式的舰载机横侧向着舰控制律设计思想,并分析了滚转角指令控制方式的优点;采用SHL神经网络动态逆控制方法设计了横侧向着舰控制律;对舰载机滚转角、航迹侧滑角和偏航角进行了数值仿真。结果表明,横侧向滚转角指令控制系统对飞行状态变化具有良好的鲁棒性和解耦能力,对舰尾气流扰动的敏感性远低于滚转角速率指令控制系统,能较好地满足着舰控制要求。     

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.     

动态逆反馈控制框架下直接升力控制的控制分配研究

利用动态逆反馈控制方法设计的飞行控制器,依据动态解耦的特性,可以完成常规操纵的同时,借助辅助舵面,利用控制分配技术实现特定飞行操纵。本文主要研究动态逆反馈控制框架下与直接升力控制相匹配的控制分配技术,提出了两种控制分配结构,分别通过几种常用控制分配算法的仿真分析,结果显示在航迹回路与姿态回路分别设计控制分配结构,与动态逆反馈控制框架下的直接升力控制匹配性更好,舵面响应特性显著改善。同时表明在动态逆反馈控制框架要实现类似利用直接升力操纵航迹,对直接升力面、推力等辅助执行机构的控制分配应在航迹回路直接实现。     

非线性动态逆空中加油自主对接控制

为实现无人机空中加油自主对接控制,建立了尾流影响下的UAV六自由度模型。基于非线性动态逆,设计了空中加油自主对接控制律。在常规非线性动态逆控制律设计的基础上,改进了航迹、姿态、角速率和自动油门等回路。通过设计航迹跟踪控制律和动态逆自动油门,实现了对锥套位置的跟踪和对接;考虑协调转弯约束和爬升速率约束,在设计过程中以姿态角代替气流角,克服了气流角控制带来的幅值、速率过大的问题,使受油机的控制更加稳定。最后通过仿真,验证了动态逆自主对接控制律的有效性。     

中性稳定的舰载飞机着舰模态研究

由于舰载飞机着舰前处于跟踪雷达的盲区，此时导引系统关闭，为了使飞机的姿态及轨迹角在舰尾气流扰动下力求不变，以达到安全着舰的目的，提出了飞机中性稳定的新型着舰模态，其实现途径是利用后缘襟翼对称偏转所产生的直接力，对迎角小扰动变化进行气动解耦，从而构成中性稳定舰载飞机，使飞机动力学的特征模态由振荡型转变为非周期型。仿真结果表明，该模态可有效地抑制气流扰动，提高着舰的安全性。     

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。     

基于自抗扰控制的共轴直升机姿态控制律设计

以某型共轴双旋翼无人直升机作为研究对象,对无人机返航进场与降落着舰阶段的抗扰动问题进行研究。针对海上着舰环境下的外界干扰与不确定性问题,选用自抗扰控制器设计共轴直升机姿态控制律,以提高共轴直升机对外部扰动的抗扰性能。针对自抗扰控制律调整参数过多问题,设计改进粒子群算法进行自动参数优化。仿真结果表明:改进粒子群算法能够显著提高参数整定速度,且精度更高;优化参数后的自抗扰控制律在强干扰环境下具备良好的动态响应与鲁棒性。     

考虑杆臂效应与挠曲变形的全自动着舰技术

联合精确进近和着陆系统（JPALS）舰载组件旨在为最终进近阶段的舰载机提供自动着舰能力。针对由于舰船杆臂效应与挠曲变形的存在导致舰载机着舰定位精度下降的问题,开发了一种基于卫星引导的全自动着舰非线性化参数误差模型,结合舰船甲板运动及舰载机纵向飞行控制模型,评估舰船结构挠曲和姿态不确定性对着舰落点精度的影响。结果表明,杆臂效应与挠曲变形对着舰落点精度有显著影响,利用建立的误差模型以及飞行控制模型,能够将着舰落点精度有效控制在着舰标准之内。     

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。     

非线性反馈线性化方法在飞控系统中的应用

应用非线性反馈精确线性化方法进行了飞机自动着陆系统设计。首先,用非线性微分方程组表示的飞机纵向控制系统,在经过输入输出反馈线性化以后,可等效为线性系数;然后,用线性的ＰＩＤ控制方法对变换后的线性系统进行了设计;最后,考虑风的干扰,对所设计的飞机自动着陆控制系统进行了数字仿真。仿真结果表明,用反馈线性化方法设计的飞控系统具有良好的性能。