民用飞机线性参数变化动力学建模及性能分析

研究了一种可用于飞行特情分析和鲁棒增益调度控制的线性参数变化(LPV)动力学建模方法。基于函数替换方法,构建仿射参数依赖LPV模型,并采用遗传算法(GA)获得分解函数最优解。可针对性地选取调度变量,建立用于特情分析的LPV模型。仿真分析表明,LPV模型在偏离系统平衡点后仍能较好地复现系统动态;以扰动风特情飞行为例,LPV模型能够逼近非线性系统的动态响应;通过系统可达集分析表明,基于LPV模型的鲁棒增益调度控制器综合具有更小的保守性。     

基于混合区域极点配置的航空发动机全包线鲁棒变参数控制器设计

针对航空发动机全包线多变量鲁棒变增益控制器设计问题,提出了一种基于混合区域极点配置的鲁棒变参数控制方法。利用Jacobian方法建立多调度参数下的发动机仿射线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,用于描述发动机全包线内的非线性动态特性;针对上述LPV模型,采用仿射参数依赖Lyapunov函数设计具有H∞鲁棒性能的状态反馈控制器,给出了控制系统全局稳定性的证明;并利用混合区域极点配置方法,将闭环系统极点配置到左半平面指定位置,以保证控制系统的动态特性及稳定裕度;进而引入凸多胞技术,将参数依赖线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)方程转化为有限维LMI进行控制器求解,并得到了全局解。针对涡扇发动机的仿真结果表明:存在复杂量测噪声干扰条件下,鲁棒变参数控制器可以实现发动机全包线内控制指令的精确跟踪,系统阶跃响应的调节时间不超过1.5s,系统无超调,对控制期望的稳态跟踪误差在0.02%以内,符合发动机控制系统技术要求。     

航空发动机鲁棒线性变参数滤波器设计

针对航空发动机线性变参数(LPV)模型部件性能参数估计问题,给出了一种新的鲁棒LPV滤波器设计方法。基于参数依赖的二次Lyapunov函数及仿射二次稳定性概念得到了稳定且满足H∞性能指标滤波器存在的充分条件,利用函数多凸性概念将其转化为线性矩阵不等式(LMI)约束下的常规凸优化问题,得到了滤波器的解。针对某型退化涡扇发动机部件性能参数估计的仿真结果表明,该滤波器的精度和鲁棒性满足设计要求。     

航空发动机增益调度控制的多项式平方和规划方法

针对现有的线性变参数(linear parameter varying,LPV)控制器设计方法都是关于仿射参数依赖系统而没有专门针对多项式描述的LPV系统这一现状,提出了一种基于多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的增益调度控制设计方法,并将其用于转速大范围变化时的航空发动机高压转子转速及压比控制.根据发动机非线性模型获取不同转速下的状态空间模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机线性变参数模型.给出能够保证无静差的增益调度控制结构,利用有界实定理和多项式平方和理论推导出能够保证闭环系统鲁棒稳定的SOS约束条件,并形成控制器求解的SOS规划问题,通过求解获得多项式描述的增益调度控制器.分别以LPV模型和发动机非线性模型为对象做阶跃仿真,结果表明:高压转子转速/发动机压比控制系统的调节时间在2s以内,稳态误差不超过0.1%.      

全包线飞行控制系统设计方法研究

介绍了当前全包线飞行控制系统设计的几种主要方法，分析了这些方法存在的问题，研究了线性变参数系统（LPV）的自增益调度控制器设计，说明了其中两种重要的设计方法LFT（线性分式变换）法和Lyapunov函数法，应用Lyapunov函数法设计了大包线范围飞机的集镇爷角速度自增益高度控制系统，进行了变参数仿真，仿真结果说明了方法的有效性。     

涡扇发动机变参数鲁棒H_∞滤波器设计

针对存在建模误差及测量噪声干扰条件下的涡扇发动机性能参数估计问题,标准卡尔曼滤波及其改进算法滤波估计误差收敛速度慢,滤波估计精度低,对不确定测量噪声及建模误差较为敏感,为此本文提出了一种变参数鲁棒H_∞滤波器设计方法。该方法采用仿射参数依赖Lyapunov函数设计满足H_∞性能指标要求的鲁棒滤波器,通过引入凸多胞技术,将参数依赖线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality,LMI)中变参数Lyapunov矩阵与系统系数矩阵之间耦合乘积导致的非凸优化问题,转化为常规LMI约束下的凸优化问题进行求解,降低了线性变参数(Linear Parameter Varying,LPV)鲁棒滤波器设计的保守性,得到了全局解。针对涡扇发动机的仿真结果表明:与扩展卡尔曼滤波器对比,采用该方法设计的滤波器具有较快的动态跟踪速度和较高的滤波精度,ΔFn的稳态估计误差不大于0.1%,ΔFn的相对估计误差不大于2.5%,同时对建模误差和测量噪声干扰具有较强的抑制能力。     

基于切换多胞LPV的涡扇发动机全包线中间状态控制

针对航空发动机全包线内参数变化范围较大,单一控制器很难保证全包线内的控制效果的问题,提出了基于切换多胞线性变参数（LPV）的发动机全包线中间状态控制方法.根据发动机的进口条件将飞行包线分为相互重叠的子区域,将多胞理论及状态重置切换方法引入控制器求解,给出了能够保证切换多胞LPV系统鲁棒稳定的线性矩阵不等式（LMI）条件;利用求解出的Lyapunov矩阵设计各子区域的LPV控制器,并结合几何位置调度策略实现子区域LPV控制;利用局部重叠的滞后切换策略和状态重置切换律实现全包线内各控制器的切换,并证明了该闭环切换系统的稳定性.最终以某型涡扇发动机为研究对象进行仿真验证,结果表明:采用该控制方法稳态误差能够控制在0.1%以内,超调量不大于0.5%.      

涡扇发动机早期退化性能的线性变参数估计

针对涡扇发动机线性变参数(Linear parameter varying,LPV)模型,给出了一种新的早期退化航空发动机部件性能LPV滤波器设计方法.该方法采用仿射依赖于参数的二次Lyapunov函数,在仿射二次稳定性的基础上,引入多凸性引理将滤波器求解问题转化为线性矩阵不等式(Linear matrix inequalities,LMI)约束下的凸优化问题,避免了求解参数化线性矩阵不等式(Parameterized linear matrix inequalities,PLMI)约束下的优化问题.针对某型早期退化涡扇发动机的仿真表明,该方法能以较高精度估计性能退化参数,且鲁棒性强,增益调度简单,具有一定的工程意义.      

基于多项式平方和规划的涡扇发动机切换控制

针对航空发动机动态特性随飞行状态和飞行条件的变化范围大,单一控制器很难保证全包线内控制效果的问题,在航空发动机LPV模型基础上提出1种平滑过渡的切换控制方法。该方法根据发动机进口条件对飞行包线区域进行划分,按照多项式平方和规划理论以及平滑过渡切换律求取各子区域的Lyapunov函数及LPV控制器。在某型涡扇发动机上进行仿真验证,结果表明:所设计的切换LPV控制器在不同高度、马赫数和转速条件下均具有良好的性能和控制精度,可以实现平滑切换。     

操纵品质的鲁棒飞控系统设计

利用对误差函数加权的最优控制,提出了具有固定增益的鲁棒飞行控制系统的设计方法。用该方法设计的控制系统不仅具有稳定的鲁棒性,而且具有操纵品质的鲁棒性。本文研究了该鲁棒飞行控制系统在全飞行包线内的稳定性,还对某歼击机设计了鲁棒飞行控制系统。设计和仿真表明了该方法的简便性和有效性。     

直升机鲁棒控制器设计及地面仿真试验

以直升机为被控对象,应用LQR技术设计了三轴稳定鲁棒控制器.以直升机模型、执行器模型以及设计的三轴稳定控制器构成全数字闭环仿真系统进行仿真,并将所设计的鲁棒控制器编制鲁棒实时飞行控制律软件加载至飞行控制计算机,在实际地面仿真环境下进行了较为全面的地面联试.仿真结果表明,所设计的鲁棒控制器正确有效,并为其进一步应用于实际飞行控制系统打下了坚实基础.     

航空发动机线性变参数建模方法研究

针对航空发动机增益调度控制技术使用的线性变参数(Linear Parameter Varying-LPV)模型,研究了两种LPV建模方法—雅克比和基于变化率方法。建立了涡扇发动机准LPV模型,进行了动态仿真验证。结果表明,与非线性模型相比,所建立的准LPV模型具有较好的动态性能,为航空发动机LPV增益控制研究提供了保证。     

高超声速飞行器大包线切换LPV控制方法

高超声速飞行器飞行包线和参数变化范围大,气动参数存在较强不确定性,要求控制器能够适应大的飞行包线并具有较好的鲁棒性。针对上述问题,提出一种基于间隙度量的大包线滞后切换线性变参数(LPV)控制方法。依照时变参数将设计包线划分为若干子区域,将多胞理论和间隙度量引入控制器求解,提出了基于最优间隙度量的LPV控制方法,并利用此方法独立设计各子区域的LPV控制器,以改善控制器控制性能和鲁棒性能;利用基于重叠区域的滞后切换策略实现大包线内各子区域控制器的切换,以抑制切换面附近控制器的切换抖动,并证明了切换闭环系统的稳定性;最后以某型高超声速飞行器为对象设计了大包线滞后切换LPV控制器。仿真结果表明该方法可实现控制指令的精确跟踪,提高设计包线内LPV控制器的控制性能和鲁棒性能,并能保证切换系统的稳定性。     

基于双层LPV模型的涡扇发动机切换控制

航空发动机飞行包线和参数变化范围大,要想保证整个参数区间存在一个单一的LPV控制器,往往需要牺牲一些区域的性能。针对上述问题,提出一种基于双层LPV模型的切换控制方法。首先通过发动机进口条件将飞行包线划分为几个局部重叠的子区域,分别建立各个子区域的双层LPV模型并求取对应的Lyapunov函数,进而根据所得的Lyapunov函数设计各子区域的控制器,并采用滞后切换策略和共同二次Lyapunov函数相结合的方式实现各子区域间的切换,解决控制器在切换时抖振问题的同时保证切换的稳定性,最后以某型涡扇发动机为对象进行仿真,结果表明所设计的控制器在全包线内有良好的控制效果。     

侧向稳定系统参数平面设计法

首先介绍了鲁棒系统设计的参数平面法，然后采用该方法对某支线客机的侧向稳定系统进行了鲁棒设计，最生以几种不同的飞行状态为例，通过计算机仿真，对所设计的控制律参数进行了验证，结果表明：飞机侧向稳定系统的参数平面法设计是可行的。     

基于有向图的航天器编队飞行自适应姿态协同控制

在有向通信拓扑下研究了编队航天器自适应姿态协同控制问题。针对航天器编队飞行系统中存在外部扰动和模型不确定性的情况,通过选取包含相对姿态误差和绝对姿态误差的辅助变量,提出了一种鲁棒自适应控制策略。提出了自适应律估计转动惯量矩阵和扰动上界等未知参数,并且利用Lyapunov稳定性理论分析了闭环系统的渐近稳定性。与滑模控制等传统鲁棒控制不同,所设计的鲁棒自适应控制器是连续的,更便于航天器编队飞行系统的实现。最后通过仿真验证了该控制策略能够实现高精度的编队飞行跟踪控制。     

基于辨识模型的无人机鲁棒飞行控制方法

提出了一种基于系统辨识获取飞行动力学模型并进行鲁棒飞行控制律综合设计的方法。首先利用混合遗传粒子群优化算法,从真实试飞数据中辨识建立无人机动力学模型,然后基于随机鲁棒原理的设计方法和辨识模型,设计了无人机鲁棒飞行控制律。飞行试验验证表明,在无气动数据情况下所设计出的高性能鲁棒飞行控制律满足了无人机飞控研制的需求。     

基于遗传算法的直升机鲁棒飞行控制器设计

以旋翼机驾驶品质要求 ADS-33为设计目标,采用 H∞ 混合灵敏度方法设计直升机在低速飞行时的鲁棒控制器,设计中利用遗传算法优化加权阵参数,找到同时满足频域和时域性能要求的控制器。以 UH-60 A直升机为对象,所设计的直升机飞行控制系统不仅具有鲁棒稳定性,而且满足 ADS-33D水平 1操纵品质要求。     

基于LMI极点配置的高空台飞行环境模拟系统PI增益调度控制研究

针对高空台飞行环境模拟系统的温度和压力在整个工作包线内的鲁棒性能控制问题,提出了一种基于LMI极点配置的PI增益调度控制设计方法。在考虑变比热容腔微分方程、管道热传导、调节阀流量特性、液压伺服动态、传感器增益对飞行环境模拟系统造成的建模不确定性的基础上,建立了完整、准确的飞行环境模拟系统非线性模型;对非线性模型进行了线性化,并根据线性模型推导了基于LMI极点配置的PI控制器设计算法;在飞行环境模拟系统的工作包线内选取了36个稳态点设计了基于LMI极点配置的PI增益调度控制器;设计了两种飞行环境模拟试验来验证设计的PI增益调度控制器的鲁棒性能。仿真结果表明,飞行环境模拟系统温度的稳态误差和动态误差均小于0.1%,压力的稳态误差小于0.5%,动态误差小于0.7%。     

机翼颤振的鲁棒自适应切换控制

将机翼颤振问题对应的气动伺服弹性系统动态,看做沿飞行轨迹或特定飞行动作的若干模型的连续切换,引入切换系统描述其包线内的动态特性。进而,基于多Lyapunov函数方法和模型参考自适应控制(MRAC)理论,提出一种机翼颤振鲁棒自适应切换控制方案。该方案允许不同速度设计点的模型及对应控制器进行快速切换,以全面覆盖飞行包线内的系统动态,获得良好的机翼颤振主动抑制效果,有效规避自适应控制需要参数缓慢变化的缺陷。同时,构建Lure-Postnikov形式的Lyapunov函数,采用多Lyapunov函数方法,以线性矩阵不等式的形式,推导闭环切换系统为有界MRAC系统的充分条件,确保飞行包线内颤振抑制的全局稳定性。