倾转旋翼机低速回避区研究

针对单发、全发失效（OEI/AEI）后提升倾转旋翼机安全性的需求,基于最小化回避区思想分析预测倾转旋翼机的高度-速度低速回避区。首先,引入混合操纵模型,建立倾转旋翼机发动机失效后增广的二维纵向刚体飞行动力学模型,基于最优控制理论将倾转旋翼机低速回避区边界转化为安全着陆问题;然后,构建倾转旋翼机发动机失效后安全着陆飞行的连续非线性最优控制模型,采用间断有限元法（DPG）和非线性规划算法进行求解;最后,以XV-15为研究对象,验证了算法的准确性,并研究了不同飞行重量、操纵要求下,倾转旋翼机的单发、全发失效的高度-速度低速回避区,分析了倾转短舱对低速回避区的影响,给出了XV-15单发失效的垂直起飞最大安全重量。      

倾转旋翼机巡航状态旋翼滑流影响

倾转旋翼机由于需要兼顾垂直起降和高速平飞2种典型工况下的动力需求,采用大直径旋翼作为推进装置会使机翼大部分处于旋翼滑流区内,这与常规螺旋桨飞机存在较大差异。为评估不同数值计算方法并研究旋翼滑流对倾转旋翼机气动特性的影响,针对选取两叶旋翼的某倾转旋翼机方案,利用激励盘模型、多参考系（MRF）模型、滑移网格模型分别进行了巡航状态下旋翼滑流对全机气动特性影响的数值模拟研究。结果表明:相对于无滑流状态,滑流定常影响使全机阻力增大,最大升阻比降低了7.5%,尾翼产生的升力增大,纵向静稳定度增加了17.1%,全机低头力矩增大;当迎角较小时,滑流虽然改变了机翼表面的升力分布,但是全机升力变化不大;滑流非定常影响会使全机气动特性产生周期性波动,升力系数波动幅度为9.0%,阻力系数波动幅度为10.8%,并且随着迎角的增大,波动幅度也越大。      

基于增益调度的变速控制力矩陀螺操纵律设计

针对以往变速控制力矩陀螺(VSCMGs)加权操纵律存在增益调度与卫星姿态机动信息脱节的不足,设计一种VSCMGs改进增益调度操纵律.不同于以往VSCMGs加权操纵律仅通过奇异度进行增益调度,改进型操纵律采用奇异度结合误差四元数进行增益调度设计,能够根据卫星姿态机动信息进行增益调度,同时该操纵律通过添加零运动,实现规划CMGs框架角和转子转速收敛在标称值附近,避免转子转速饱和.仿真结果表明改进增益调度操纵律能够实现CMGs模式和RWs模式二者之间平滑切换,有利于实现大力矩输出和精细力矩输出.     

基于切换多胞的飞行器变增益输出反馈控制

现代飞行器包线范围不断扩大,飞行器模型参数在飞行包线内呈现大范围变化的特点.针对包线范围参数时变飞行器的稳定性分析与输出反馈镇定问题,提出了基于切换多胞系统的飞行器模型描述方法.结合切换多胞Lyapunov函数与平均驻留时间方法,给出了保证飞行器包线范围渐近稳定的稳定性判据与静态输出反馈形式的变增益镇定控制器综合方法.将所提方法应用于高机动性飞行器的全包线飞行控制器设计,仿真结果表明:该设计方法可放宽对飞行器工作点的平均驻留时间约束,具备较低的设计保守性;所得变增益控制器可消除传统切换控制器的输出跳变现象,具有良好的瞬态响应特性.     

基于滑模观测器的机翼颤振主动抑制设计

颤振主动抑制(AFS)是国际上普遍推崇的颤振问题解决方案,对现代飞行器设计具有重要意义。基于国际上滑模观测器的二维机翼AFS应用,以双后缘控制面真实机翼模型为对象,发展一种低阶滑模观测器的三维机翼AFS设计方法。该观测器性能优越、特点鲜明,但传统的设计流程繁琐,限制了其在高阶模型对象上的使用。本文借助线性二次型高斯(LQG)方法中的最优滤波器增益矩阵,提出一种简化的滑模观测器设计流程。结合气动弹性物理背景,使本文方法理论上能够应用于实践。算例对比分析结果表明,本文方法比LQG方法具有更好的抵抗噪声能力。     

基于滚动时域的无人机空战决策专家系统

针对专家系统法在空战应用中存在适应性差的缺陷,提出了一种基于滚动时域控制(RHC)的机动决策算法对空战机动决策专家系统进行改进.首先,系统地分析了在专家系统空战机动决策中的最优控制问题,完成了机动决策最优控制模型系统状态方程的建立、控制约束的设计以及指标函数的建立.在此基础上,根据滚动时域法原理,将整个空战过程分解为若干有限时域,并在每个时域内将空战机动决策问题视为初始条件不断更新的专家系统机动决策最优控制模型的求解,反复进行直到空战结束.仿真结果表明,在专家系统法失效的情况下,通过求解专家系统空战机动决策滚动时域最优控制模型,无人机能够快速地进行有效的机动决策.      

基于时变增益ESO的多航天器SO(3)姿态协同控制

针对多航天器姿态协同控制问题,基于特殊正交群（SO（3））研究了存在干扰情形下的控制设计方法。结合有向通信拓扑建立了多航天器SO（3）模型,在此模型的基础上提出了一种时变增益扩张状态观测器（ESO）对系统的总干扰进行估计,削弱了常值增益ESO的峰化现象。利用相邻航天器的信息给出了旋转矩阵形式的协同指令,进一步基于SO（3）方法设计了协同控制器。同时采用ESO的输出在所设计的控制器中对系统的干扰进行补偿,从理论上给出了ESO的收敛性以及闭环系统的稳定性证明,保证多航天器系统能够实现稳定协同。仿真结果验证了本文方法的有效性和快速性。      

基于LMI的过渡态主控回路闭环控制律优化设计

针对涡扇发动机过渡态多变量控制设计难的问题,提出了一种基于抽功法在过渡态加减速线上的准稳态工作点处提取线性模型的方法,并在此基础上提出了一种过渡态主控回路闭环控制律的优化设计方法。通过功率输入和功率提取解决过渡态动态特征提取难题,基于增益调度可作为非线性动态控制策略的基本原理,将稳态多变量控制规律的线性矩阵不等式(LMI)设计方法推广到涡扇发动机过渡态主控回路闭环控制的设计中,并通过最小化矩阵迹优化闭环极点配置。针对2种不同过渡态主控回路闭环控制策略,分别设计了最小化矩阵迹寻优的过渡态主控回路的多变量闭环控制律,并进行从慢车到中间状态的基于涡扇发动机非线性动态模型的双通道过渡态性能仿真验证,结果表明:方案1过渡态控制双通道N₁、N₂的调节时间不大于5.0 s,超调量不大于0.8%;方案2过渡态控制双通道π_T、N₂的调节时间不大于5.6 s,超调量不大于0.8%。      

基于切换系统的变体飞行器鲁棒自适应控制

针对变体飞行器变形过程的控制问题,将切换系统理论与多变量自适应控制理论相结合,提出了一种基于切换系统的鲁棒自适应控制器设计方法。首先,建立了变体飞行器纵向短周期线性切换模型,描述了飞行器的整个变形过程;然后,设计了一种改进的鲁棒自适应控制律,抑制了各类干扰和不确定性对系统的影响,实现了切换系统对参考模型的良好跟踪;最后,提出了一种基于模型依赖驻留时间（MDDT）的切换控制律,保证了变体飞行器在变形切换过程中的稳定性,利用Lyapunov函数方法证明了本文方法最终一致有界。仿真验证表明,在存在外部干扰和各类不确定性的情况下,本文方法能保证飞行器在变形过程中精确跟踪参考模型,且具有较好的抗干扰能力。      

倾转四旋翼飞行器倾转过渡走廊分析方法

针对倾转四旋翼（QTR）飞行器过渡飞行中的变速、变体特点,提出了一种确定倾转四旋翼飞行器倾转过渡走廊的方法,该方法从飞行力学角度用机翼升力特性限制低速和高速边界,以单旋翼可用功率限制高速边界。所提方法确定了无周期变距的倾转四旋翼飞行器样机倾转过渡走廊,并分析了其在倾转过渡飞行中不同机体迎角下各气动部件的气动力以及前后旋翼需用功率随飞行速度的变化规律。结果表明:倾转四旋翼飞行器在小机体迎角下倾转优于在大机体迎角下倾转;各气动部件提供的垂向力占比会随着机体迎角的改变而变化;机翼升力特性高速边界和单旋翼功率限制边界共同组成了倾转四旋翼飞行器倾转过渡走廊的高速边界;单旋翼可用功率限制边界比总可用功率限制边界更严格。      

基于CE-PF算法的舰载机离场调度优化问题

甲板作业调度研究是提升航母战斗力的关键技术,而其具有时间、空间与资源受限的复杂约束调度问题已被证实为NP-hard。根据舰载机出动离场调度优化问题的特点,将其抽象为零缓存区混合流水车间调度模型,建立包含飞机避碰等约束的混合整数规划模型。提出一种交叉熵与作业剖面匹配(CE-PF)算法用于问题求解,并给出了算法流程架构。交叉熵算法通过高斯采样完成启发式规则下的工件分组,作业剖面匹配算法完成分组工件的任务排序、作业编排及约束检查等调度设计,Gap逼近算法进行目标值评估、精英种群选择、抽样参数更新及收敛判定。通过算例仿真,验证了CE-PF算法求解离场调度优化问题的有效性;灵敏度分析表明起飞模式和空间约束对出动效能影响较大。      

电液伺服速度系统的模糊增益调度控制

针对电液伺服速度系统的非线性和参数时变特性,提出了模糊增益调度控制方法.根据系统的输出误差和误差的一阶微分变化,利用模糊推理在线实时更改比例积分微分(PID,Proportion Integral Differential)控制器参数以适应工作点的变化,使系统控制参数达到全局优化,解决了一般增益调度中控制参数只是对于某一工作点局部优化的问题;在确定P和I隶属度函数时,引入指数函数保证了系统稳准前提下响应的快速性.试验研究表明,与单纯PID控制器相比,模糊增益调度缩短了动态响应时间、降低了超调、减小了负载扰动,说明该方法对非线性系统和未能精确建模系统大范围控制的有效性.      

基于反馈线性化的MSCMG转子稳定控制

磁悬浮控制力矩陀螺（MSCMG）转子的稳定悬浮是实现陀螺高精度大力矩输出的关键。针对影响转子稳定悬浮的转子径向偏转耦合、非线性参数摄动、动框架效应问题,建立转子的动力学模型,提出了一种基于反馈线性化的增强型内模控制方法。利用反馈线性化方法实现径向偏转运动解耦以及转子动力学模型的线性化,设计增强型内模控制对转子系统的非线性参数摄动进行补偿并有效抑制动框架效应,提升了转子系统的稳定性。MATLAB仿真结果表明:所提出的控制方法实现了转子偏转的完全解耦,与PID控制相比,所提方法可以有效抑制参数摄动对转子径向平动的影响。对于转子径向偏转,与PID交叉控制相比,所提方法可以有效抑制框架扰动,提高系统控制精度。      

链式平滑切换变体飞行器LPV鲁棒跟踪控制

针对后掠角可变的变体飞行器,研究了一类变体飞行器的建模与控制问题。拟合气动参数与后掠角变化的关系,利用Jacobian线性化的方法得到线性变参数(LPV)模型。进一步建立一类平滑切换系统,同时引入切换序列受限的链式切换,推导了链式平滑切换系统在有限时间有界且具有鲁棒性能指标的充分条件。设计了一种平滑切换镇定控制器的求解算法,并给出控制增益的求解步骤。基于广义系统理论提出了保证变体飞行器姿态跟踪系统鲁棒稳定的充分条件,并通过算例验证所提方法有效性。     

基于控制分配的一类变体飞行器容错控制

针对一类含有执行器故障的新型操纵面变体飞行器的容错控制问题,将控制分配方法和整数规划理论相结合,提出了一种基于控制分配的容错控制方法.首先设计虚拟控制律,使飞行器的状态变量跟踪参考模型.然后通过执行阵列重构将执行器的概率性故障及饱和约束转化为整数规划中的决策变量的约束,进而将控制分配问题转换成一类决策变量概率可变的整数规划问题.为保证解算的有效性及收敛性,运用改进的遗传算法进行求解.仿真结果表明,飞行器在执行器发生故障的情形下,仍具有良好的跟踪性能.      

大飞行包线控制律的神经网络调参设计

对于具有大飞行包线的现代电传飞行控制系统,给出了一种3层BP(Back Propagation)神经网络代替传统的根据动压、高度或马赫数单一调参的控制律,解决了大飞行包线内控制参数复杂、单一调参无规律性、在全飞行包线上特别是在平衡点之间的飞行状态的稳定性无法保证等问题.通过离线训练,得出了一组隐层只有6个节点的网络结构参数,输出为各平衡点设计的最优鲁棒反馈增益.利用该网络实现了大飞行包线的根据高度和马赫数的双参数增益调参.仿真表明,利用该神经网络可以保证在所有平衡点上原设计的最优反馈增益不变,响应过程不变,同时可以细化平衡点之间的控制参数,在较大建模误差(约50％)和平衡点间也可以具有较好的控制效果.     

基于DM-DSC的舰载机着舰自动复飞控制算法

针对理想复飞轨迹已知条件下的舰载机自动复飞控制问题,提出一种基于偏差模型的动态面控制（DM-DSC）算法。基于Radau伪谱法给出了舰载机着舰的最优复飞轨迹;根据得到的最优复飞轨迹及其所对应的控制方案,分别给出了速度子系统和高度子系统的偏差控制模型和反演（Backstepping）控制器,并通过引入动态面结构来获得虚拟控制量的微分信号,避免了Backstepping控制律求解过程中的“微分膨胀”问题;考虑到气动参数的不确定性及舰尾流场的干扰,采用线性扩张状态观测器（LESO）对控制模型中的干扰项进行估计和补偿,并设计抗饱和辅助系统来抑制控制饱和的不利影响;最后,基于Lyapunov方法证明闭环系统信号的有界性。仿真结果表明：所提算法具有良好的控制性能。