基于非线性动态逆的大迎角飞行控制律设计

研究飞机大迎角飞行优化控制问题。为了用非线性动态逆方法进行大迎角飞行控制律设计,首先建立具有大迎角条件下强非线性、非定常迟滞、不对称的力与力矩等气动特性的六自由度非线性飞机模型。然后将非线性动态逆方法与奇异摄动理论相结合,并将飞机状态划分为快慢回路,分别应用非线性动态逆方法进行了飞行控制律设计。最后,通过控制分配将计算得到的三轴力矩指令转化为相应的舵面与推力矢量偏转指令,并进行了仿真验证。仿真结果表明,设计的飞行控制律具有优良的大迎角控制效果。     

一种可重复使用运载器的伪逆法自修复控制

研究可重复使用运载器自修复控制问题,由于气动舵面故障将严重影响飞行器飞行安全,针对实时自修复控制系统的控制器和控制分配算法进行了研究.根据对象强时变非线性和飞行环境变化剧烈特点,利用动态逆和变结构控制理论,设计了双回路动态逆变结构控制器.针对舵面故障的特点,设计了改进的基于力矩指令的实时伪逆法控制分配算法;给出了结合上述控制器和控制分配算法的自修复控制系统.数字仿真表明,上述系统在可重复使用运载器舵面出现漂浮、卡死故障时,具有良好的实时自修复控制能力,并满足跟踪精度、时效性和适应性要求.     

飞机姿态控制系统的精确线性化解耦设计

飞机姿态运动的非线性以及横航向强耦合,增加了控制飞机姿态的难度,不利于飞机快速瞄准目标.为了提高控制姿态性能,直接将飞机姿态角解耦成舵偏角的非线住设计方法,将飞机姿态运动解耦成三个独立的线性系统,并避免气动力矩对舵面进行再次分配,使整个过程更加直观,随后对解耦的单输入单输出系统设计了跟踪控制律,并进行仿真.结果表明,所设计的控制系统姿态角的控制效果较好,并具有很高的控制精度.     

基于气动舵面和RCS融合控制的高超声速飞行器再入姿态容错控制

针对高超声速飞行器再入姿态模型,研究气动舵面故障时的再入姿态容错控制.根据高超声速飞行器再入初期的特点,通常需要反作用控制系统(Reaction Control Systems,RCS)协助气动舵面完成姿态控制.采用Backstepping方法获得期望力矩,将气动舵面视为首要执行机构,在气动舵面之间控制分配期望的力矩.如果气动舵面不能达到期望力矩,则开启RCS,由RCS提供气动舵面不能提供的力矩.考虑舵面发生部分失效和卡死故障情况,设计基于控制分配算法的容错控制策略,使得系统在故障情况下仍旧保持稳定并恢复追踪性能.     

具有速率限制的民机舵面实时铰链力矩特性研究

针对飞机设计过程中,操纵面铰链力矩确定问题,进行具有操纵面偏转速率限制的电传飞机实时铰链力矩计算方法研究.这里依据飞机动力学特性、具有最大速率限制的舵面动力学特性以及舵面部件气动特性,确定飞机飞行过程中舵面的实时铰链力矩.利用MATLAB/simulink工具建立了舵面动力学模型和飞机动力学模型.以纵向操纵面升降舵为例,仿真研究了某飞机定直平飞以及机动飞行中舵面实时铰链力矩特性,给出了对应状态的舵面偏转速率,对比分析了静平衡法和本方法确定的操纵面总力矩特性的差异,结果表明本方法适合飞机详细设计阶段.     

过驱动飞行器线性参变鲁棒预测跟踪控制策略

针对飞行包线内过驱动飞行器参数线性时变、控制量多增益调度难的问题,基于约束动态控制分配提出了一种主环线性参变鲁棒预测跟踪控制器.采用飞行状态增量以及跟踪指令误差为增广变量,建立了过驱动飞行器的多面体线性参变离散控制模型.引入H∞性能指标,通过参变量转换将无穷时域min-max非线性鲁棒预测控制优化问题约简为线性矩阵不等式凸优化问题.以操纵面偏转跟踪误差和偏转变化量为混合二次型指标,建立了包含执行器动态性能的无约束控制分配模型.进而考虑操纵面的物理约束,设计了级联动态控制分配策略.仿真结果表明,该方法能够生成合理的操纵面控制指令,实现参考指令的有效跟踪.     

高超声速飞行器再入姿态鲁棒控制

本文针对气动参数和惯性参数不确定性,同时考虑反作用控制系统(RCS)参与控制,设计高超声速再入飞行器的鲁棒自适应控制器.根据奇异摄动理论将整个控制系统分为快、慢两个回路分别进行设计,将各回路的不确定参数写成矢量的形式,并用自适应估计器进行在线估计,从而使得控制器实现在线自适应调整.利用非线性干扰观测器来处理控制系数矩阵的不确定性部分.提出一种改进的控制分配权重函数,并将总控制力矩分配到气动舵面偏角指令和RCS所需提供的控制力矩指令.利用Lyapunov稳定性理论来分析整个闭环系统的稳定性.最后,通过仿真验证该控制方案能够有效抑制不确定参数引起的干扰.     

基于神经网络的鲁棒自适应逆飞行控制

提出基于在线神经网络的超机动飞行自适应动态逆鲁棒控制方法.超机动飞行的基本控制律采用非线性动态逆方法设计,对于建模误差或者控制面损伤等因素导致的不确定性逆误差采用神经网络进行自适应补偿.通过动态逆控制律简化计算和飞机控制面故障自适应修复的仿真表明,神经网络通过在线补偿逆误差,能够有效降低非线性动态逆对模型准确性的要求,增强控制系统的鲁棒性.     

飞控系统液压流量需求计算与动态分配方法研究

充足的液压流量是飞控系统正常工作的基础条件.为在系统设计早期对需用液压流量进行准确计算,设计了一种基于模型跟踪的舵面需用偏转速率计算方法,解决了在飞机总体设计初期、控制律尚未设计时如何准确获得舵面偏转速率需求的问题,在此基础上结合不同飞行场景可对液压流量需求进行较为精确的预计.进一步考虑液压可用流量有限的现实约束,针对...     

飞翼布局无人机分数阶积分滑模姿态控制

针对存在复合干扰的飞翼布局无人机(UAV)姿态控制问题,提出了一种基于分数阶积分滑模与双幂次趋近律的姿态跟踪控制方案.结合分数阶微积分及滑模变结构控制理论,设计了分数阶积分滑模面.为解决传统趋近律收敛时间长和抖振严重等不足,提出一种具有二阶滑模特性且有限时间收敛的双幂次趋近律.在名义控制律的基础上,设计super twisting滑模干扰观测器,实现对复合干扰的估计和补偿,增强内外环控制器应对复合干扰的鲁棒性.为充分利用冗余操纵面与解决非线性舵效问题,在飞行控制系统中引入了非线性控制分配环节.仿真结果验证了所提方案的有效性.     

舰载机纵向容错着舰系统设计

通常发生的舰载机着舰事故中,大多数是由于舰载机纵向航迹控制不好导致的,而造成航迹控制性能下降的最主要因素是航母运动、舰尾流扰动和执行器故障.针对这些特殊情况,提出了一种容错控制方法,应用在纵向着舰系统中.首先采用基于非线性动态逆的滑模控制方法抑制舰尾流扰动影响,然后在此基础上,加入径向基神经网络,利用其对非线性项的万能逼近特性,来补偿执行器故障情况下造成的系统故障,进一步保证了舰载机对理想下滑道的精确跟踪,最后,加入不同类型的执行器故障对此方法进行测试.仿真结果表明,所设计的纵向容错着舰系统不仅具有较强的鲁棒性和容错能力,而且提高了舰载机着舰航迹控制精度.     

涵道尾座式垂直起降飞行器全包线飞行控制

本文针对一种新型涵道尾座式垂直起降飞行器的非线性控制问题, 提出一种全包线飞行控制方案. 在设计 的控制框架中, 采用统一的坐标系描述该飞行器的多模态特性. 对于不可测量的外部力矩, 设计了辅助系统进行观 测及自适应律进行补偿; 对于可测的合外力, 设计了一种基于加速度测量的拉力/姿态几何解耦方法; 同时, 给出了 保证闭环系统全局指数稳定的充分条件. 最后, 所述控制方案成功应用于一小型涵道尾座式无人机上, 并完成了飞 行器垂直/水平模态转换飞行试验, 验证了所提出方法的有效性.     

Multi-input,multi-output flight control system design for the YF-16 using nonlinear QFT and pilot compensation

Nonlinear quantitative feedback theory (QFT) and pilot compensation techniques are used to design a 2 × 2 flight control system for the YF-16 aircraft over a large range of plant uncertainty. The design is based on numerical input-output time histories generated with a FORTRAN implemented nonlinear simulation of the YF-16. The first step of the design process is the generation of a set of equivalent linear time-invariant (LTI) plant models to represent the actual nonlinear plant. It has been proven that the solution to the equivalent plant problem is guaranteed to solve the original nonlinear problem. Standard QFT techniques are then used in the design synthesis based on the equivalent plant models. A detailed mathematical development of the method used to develop these equivalent LTI plant models is provided. After this inner-loop design, pilot compensation is developed to reduce the pilot's workload. This outer-loop design is also based on a set of equivalent LTI plant models. This is accomplished by modelling the pilot with parameters that result in good handling qualities ratings, and developing the necessary compensation to force the desired system responses.     

Dynamics modeling and control of large transport aircraft in heavy cargo extraction

In this paper,a novel version of six-degree-of-freedom nonlinear model for transport aircraft motion in cargo extraction is developed and validated by the theoretical mechanics and flight mechanics.In this model constraint force and moment reflecting the flight dynamic effects of inner moving cargo are formulated.A methodology for a control law design in this phase is presented,which linearizes the aircraft dynamics making use of piecewise linearization and utilizes robust control technique for interval system to achieve specified handling qualities with robustness to uncertainties.The simulations demonstrate adequate effectiveness and excellent robustness of the proposed controller.     

基于神经网络的故障飞机仿真

传统气动系数模型中，拟合法精度较差，插值法计算速度慢，且占内存多。利用神经网络一致逼近任意非线性连续函数的特性，训练具有一个三输入六输出的神经网络模型，建立故障飞机仿真系统。仿真结果和故障飞机自修复应用表明，文中所采用的神经网络建模方法是可行的。在自修复飞行控制系统研究中，为故障飞机建模所需大量故障状态气动系数数据处理提供一种新思路。     

飞机超机动状态动力学特征及对控制系统的挑战

超机动能力作为第四代战斗机的重要标志性特征,在近距空战中具有极其重要的作用.针对非线性非定常气动效应、强耦合和操纵器异构冗余等超机动状态飞机的基本动力学特征,分析了其非线性气动力/力矩、非定常迟滞效应、参数快时变、惯性耦合和推力矢量等因素给控制系统带来的挑战,总结了超机动飞机的非线性非定常气动力建模、飞行控制和控制分配的研究现状,给出了一种基于非线性补偿和气动力模型数据库的鲁棒解耦控制策略,为超机动飞行控制方法的工程应用提供了参考.     

Passification-based robust flight control design

A passification-based robust autopilot for attitude control of flexible aircraft under parametric uncertainty is designed. A high gain controller with forced sliding motions is used to secure good performance over a wide range of the aircraft model parameters. The shunting method is applied to ensure closed-loop system stability under lack of aircraft state information. The series reference model is used to assign the desired closed-loop system performance. An example illustrating a typical design procedure for aircraft attitude control in the horizontal plane for different flight conditions is given. The simulation results demonstrate the efficiency and high robustness of the suggested control system.     

基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统

传统飞机飞行姿态滑膜控制系统,存在飞机飞行姿态自适应系数稳定性差的问题,在控制过程中会受到多重因素影响,导致飞行姿态可控误差系数增大,需要辅助控制系统修正才能完成飞行姿态的控制操作;针对上述问题,提出基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统;系统硬件基于PID自适应滑模控制器,对飞机飞行姿态控制器进行结构设计;软件部分通过引入自适应滑模控制策略,对PID控制器姿态控制变量进行适配;引入AFSMC算法计算姿态控制器当前时间点下的运动控制方程,得到飞行姿态自适应滑模控制的最优量,完成基于AFSMC算法的飞机飞行姿态自适应滑模控制系统设计;实验结果表明,所设计系统能够在不同飞行工况下,对飞机飞行姿态作出准确控制,系统的整体控制精度范围为90%~97.4%,飞机飞行控制稳定性较好,有效提升了系统对飞机飞行姿态的控制准确度。     

含攻击角度约束的三维制导控制一体化鲁棒设计方法

针对具有攻击角度约束的STT飞行器对象,提出了一种三维制导控制一体化鲁棒设计方法.首先,基于某些可行性简化原则,推导出面向三维制导控制一体化设计的非线性数学模型.然后,针对一类多变量非线性系统,通过引入控制补偿项,提出了一种鲁棒动态逆设计方法.结合鲁棒动态逆和动态面控制方法,完成了制导控制一体化鲁棒算法的设计.仿真结果表明,所提出的三维制导控制一体化算法可保证飞行器的稳定飞行和精确制导,并且满足攻击角度的约束要求.此外,该方案具备针对参数不确定性和等效干扰的强鲁棒性能.     

飞机俯仰运动自抗扰控制器设计

提出了利用自抗扰控制器在大包线范围内设计飞机俯仰运动控制器的新方法．利用二阶自抗扰控制器补偿系统模型扰动和外扰，实现了纵向运动俯仰角变量的跟踪控制．自抗扰控制器直接依据飞机的非线性模型，符合飞机动力学模型摄动大的特点，在很大的包线范围内不需要改变控制器的结构和参数，简化了飞行控制律的设计过程．大包线范围内的仿真结果表明，系统具有良好的动态和稳态性能，控制器具有很强的鲁棒性，为解决大包线范围内的飞行控制问题提供了一种有效的新途径．