飞翼布局飞机控制/气动/隐身多学科优化设计

飞翼布局是先进飞机广泛应用的布局形式.飞翼布局飞机总体设计阶段不仅要考虑其隐身和气动要求,还必须高度重视控制系统的影响.以飞翼布局飞机为对象,研究控制、气动与隐身多学科优化的策略和方法.建立了适合在各学科的子空间进行多目标优化的流程,基于学科分析分配各个子空间的设计变量,并通过变量综合形成系统级的设计变量.在优化过程中,综合采用了改进的遗传算法和近似模型构造方法.针对飞翼布局飞机的特点,采用基于控制分配的控制系统结构,以时域指标作为控制学科的优化目标和约束条件.优化结果验证了所用方法的有效性,为将控制学科纳入飞翼布局飞机多学科优化提供了可行的途径.     

非线性飞机对象操纵面故障的控制律重构

研究以六自由度非线性方程描述的飞机在操纵面损伤或卡死故障情况下使用伪逆法进行控制 律重构的方法.通过对气动系数中的操纵导数进行合理的近似处理,将控制律重构问题转化 为解一个线性方程组的问题.给出了全数字实时仿真结果,验证了该重构算法的可行性.     

飞行控制与飞机发展

论述飞行控制技术的发展及其与飞机发展的关系.概要回顾了自莱特兄弟研究人类飞行技术开始至20世纪60年代初期飞机飞行控制技术的发展过程.阐述了主动控制技术与电传飞行控制系统的产生和对飞机发展的巨大影响.重点介绍了新型综合自适应飞行控制系统的主要技术内涵和实现途径.      

变重量/重心飞机建模及姿态控制律设计

为解决飞机在重量、重心变化下的姿态控制问题,从相互作用力的角度将重量、重心的变化转化为干扰力和干扰力矩,提出并建立了变重量/重心飞机的一般动力学模型和重量、重心特性模型.该模型可以反映重量、重心动态变化与飞机运动的耦合,解决了现有模型无法处理飞机重心动态变化的问题.在姿态控制律设计上,提出了针对飞机重量、重心变化的干扰观测补偿控制器结构,将重量、重心变化转化为干扰输入,采用比例积分观测器对重量、重心变化引起的干扰力和力矩进行观测,并将观测值解算为补偿信号引入自动驾驶仪,设计了纵向姿态的干扰补偿控制器.以运输机重型货物空投为背景的计算机仿真结果表明:该模型可以准确反映飞机在重心变化各个阶段的动力学特性;在观测器的补偿指令作用下,俯仰角对重量、重心变化的响应波动远小于未加补偿的情形,满足精确姿态控制的需要.      

敏捷性飞机飞行控制系统设计方法研究

对敏捷性飞机飞行控制系统的设计方法进行了研究,研究表明当飞机进行大迎角机动时,飞机可以获得敏捷性机动能力,在这种情况下,飞机的动力学特性呈现非线性的特征,此时飞行控制系统的设计是一类非线性控制系统的设计问题,设计可采用非线性动态逆的方法进行,为简化控制律和工程因素,重点研究了利用一阶动态作为系统的反馈线性控制,以得到线性化的系统,在此基础设计跟踪控制器,以满足大迎角非线性机动时的性能要求,最后以Ｆ     

多操纵面飞机综合重构飞行控制方法

为提高飞机飞行安全性能,将被动重构控制与主动重构控制相结合,提出了一种综合重构飞行控制系统设计方法.采用轨迹线性化控制方法进行飞行控制律设计,使系统具有较强的鲁棒性.针对多操纵面飞机,提出面向故障的操纵面管理概念,通过基排序最优控制分配方法以基底的形式对操纵面进行重新组合,并按照期望控制目标进行排序,实现在操纵面故障下的控制重构.仿真结果表明,该控制系统能有效处理各种典型操纵面故障,在操纵面发生故障时仍能快速跟踪控制指令,保证较好的飞行性能.     

基于分支裁剪的非线性飞行控制律设计

应用分支裁剪和特征结构配置的方法进行了飞行控制律的全局连续设计.以飞机本体动力学系统平衡图为基础,采用连续方法设计前馈控制律,修改平衡图的分支形状,使系统输出跟踪操纵输入指令.应用特征结构配置的方法设计全局调参的纵、横航向解耦反馈控制律,满足飞行品质要求,裁剪非指令运动对应的平衡分支.对开环前馈控制以及闭环反馈控制的控制分叉进行了分析.针对某静不稳定飞机进行控制律设计和数值仿真,结果表明不期望分叉得到抑制,飞机稳定飞行范围得以扩展.      

超机动飞机的非线性飞行控制研究

介绍了应用非线性动态逆理论进行战斗机过失速机动条件下飞行控制律设计的具体过程,首先根据奇异摄动理论将受控状态变量分为快变量和慢变量两个层次,快变量为三个角速率,慢变量为迎角、侧滑角和速度滚转角,然后根据非线性动态逆理论分别对内环和外环进行设计,其中外环控制器的输出作为内环控制器的输入指令.最后对所设计的飞行控制律利用过失速机动仿真来加以验证,结果表明本文设计的飞行控制律完全能够在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行.     

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μ分析的鲁棒特征结构配置飞行控制律设计

针对特征结构配置应用于飞行控制律设计鲁棒性较差的问题,提出了一种新的鲁棒特征结构配置方法.该方法结合参数化特征结构配置与μ分析,把鲁棒特征结构配置问题转化为包含系统全部自由参数的带约束条件的非线性优化问题.根据飞行控制律特点,提出分步优化策略解决鲁棒特征结构配置多变量优化问题,以降低问题复杂度,同时采用等值分布曲线直观描述优化指标随设计参数变化规律.该方法利用系统全部自由度提高系统鲁棒性,并对自由参数施加约束条件以保证标称闭环系统性能.仿真表明该方法能满足一级飞行品质要求,提高系统鲁棒性,减小保守性.     

盘旋跟踪地面目标小型无人机控制系统设计

针对一种大展弦比、V形尾翼常规布局小型无人机盘旋跟踪地面目标飞行的飞行控制策略进行了研究.采用了一种单轴光电探测系统修正视场纵向误差,无人机航向控制修正视场横向误差的控制方法.设计了一种自适应PID(Proportion Integration Differention)控制器,并通过对无人机六自由度非线性运动模型的建模分析,进行了控制律的仿真验证,并将算法融合在盘旋跟踪飞行实验中.仿真及实际飞行实验结果表明:该控制系统在突风等大扰动的影响下获得了良好的动态性能指标,并有效地抑制了飞机姿态通道对视轴通道的耦合影响,满足了飞行任务的需求.     

飞控系统性能与可靠性一体化设计技术

通过分析性能与可靠性一体化设计国内外相关研究工作的研究成果与不足,提出了性能与可靠性一体化设计(IDPaR,Integrating Design for Performance and Reliability)的研究思路.从产品发生故障的内、外因角度建立了性能与可靠性一体化设计综合模型,提出了性能可靠度的定义和计算方法.并针对典型飞控系统,给出了各类内外影响因素的具体建模方法,总结提出了性能与可靠性一体化设计算法流程和分析方法.最后以某型导弹为案例,进行性能与可靠性一体化设计技术的应用验证.      

飞控系统虚拟设计环境

开展面向设计的飞控系统虚拟原型机开发环境研究,提出了飞控系统虚拟设计环境的3层次结构:第1层为运行管理层,以数据库为基础,其核心为PDM(产品数据管理)软件.第2层为虚拟技术层,提供余度飞控计算机、舵回路、传感器等的虚拟原型的生成.第3层为仿真支持层,支持人在回路的仿真验证.分析了实现每层功能的关键技术,并基于该虚拟设计环境,完成了虚拟四余度飞控计算机的设计和验证,使该开发环境具有面向主要结构参数、性能参数、价格参数的虚拟余度飞控计算机系统生成功能.     

通用再入飞行器多学科协同优化设计

探讨了协同优化方法在通用再入飞行器总体优化设计中的应用以及各学科间耦合关系.对协同优化方法的流程及特点进行了分析,以通用再入飞行器总体优化设计为对象,研究如何利用协同优化方法建立此类问题的优化模型.研究结果表明协同优化方法相对多学科可行法具有较快的收敛速度,主要是由于协同优化方法中的系统级在搜索空间时受到了3个子系统级优化一致性的制约,而3个子系统级并行地对升阻比最大、质量最小、弹道设计中气动加热量最小3个主要影响射程的因素进行了优化,最终共同缩小了设计搜索空间,同时利用学科的独立性进行并行计算,从而较快地实现了迭代收敛.      

航迹跟踪的优化方法研究

最优航迹跟踪要求飞机的实际飞行航迹与理想航迹的偏差最小,但若采用按偏差的最优控制方法,会造成控制变量的剧烈震荡.为了解决控制变量的剧烈震荡问题,提出了一种新的偏差-微分综合控制方法.通过对参考航迹的跟踪验证,表明该方法有效地解决了控制变量最优解的振荡问题,并实现了精确的航迹跟踪性能.     

燃气发生器身部多学科设计优化

为了探索液体火箭发动机多学科设计优化的一般方法,以液体火箭发动机燃气发生器身部为研究对象,在对其进行面向设计的多学科分析的基础上,建立了燃气发生器身部的多学科优化模型,涉及流动、传热、结构强度3个相互耦合的学科.引入了一种新的多目标方法——物理规划方法处理其中的多目标优化问题,通过类别函数将设计者的偏好转化为优化目标,避免了对各个不同大小和量纲的分目标之间重要性的比较和权衡.优化结果显示,利用多学科设计优化减轻了燃气发生器的质量,改善了原有设计,能够提高发动机的设计水平.