未知故障下飛機(jī)的自適應(yīng)飛行安全控制.pdf

1、近年來，由于航空科學(xué)的發(fā)展，飛機(jī)已經(jīng)成為一種比較常用的交通工具，對(duì)于飛機(jī)制造商、飛行員和乘客來講，飛行安全一直是首要考慮的問題。盡管現(xiàn)代飛機(jī)已經(jīng)使用了很多安全措施，包括采用多重的傳感器系統(tǒng)和冗余的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，但飛行事故還是難以避免。由于飛行員在駕駛艙內(nèi)僅能夠得到的有限的信息，有時(shí)很難正確的判斷問題所在和保持穩(wěn)定飛行控制。飛行安全控制系統(tǒng)可以輔助飛行員進(jìn)行正確的判斷和操作，這對(duì)提高故障或者受損后飛機(jī)的生存能力具有重要意義。
　　本文

2、提出了一種基于平穩(wěn)飛行狀態(tài)的自適應(yīng)飛行安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合完整的非線性飛機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)未知故障下飛行安全控制中的若干關(guān)鍵問題，包括故障后飛機(jī)的迅速自適應(yīng)穩(wěn)定控制和平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤、在線系統(tǒng)辨識(shí)和平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索等，展開了研究。論文的主要研究工作如下：
　　首先，建立了雙引擎固定翼飛機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了線性化分析。針對(duì)NASA雙引擎通用飛機(jī)模型GTM，研究了故障后飛機(jī)系統(tǒng)的自適應(yīng)飛行控制方法。設(shè)計(jì)了基于追溯代價(jià)的

3、自適應(yīng)控制方法對(duì)多種故障情況下的飛機(jī)進(jìn)行穩(wěn)定控制，包括控制舵面故障、氣動(dòng)力系數(shù)變化、機(jī)體結(jié)冰和引擎故障等情況。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于故障診斷信息的容錯(cuò)控制策略，該方法可以在未知故障具體信息情況下根據(jù)控制輸入與系統(tǒng)輸出來迅速調(diào)節(jié)控制器增益，利用執(zhí)行器在功能上的冗余使飛機(jī)系統(tǒng)迅速達(dá)到穩(wěn)定。
　　其次，針對(duì)無法精確判斷故障信息的情況，為了逐步得到足夠的平穩(wěn)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和飛行包絡(luò)線信息，針對(duì)飛機(jī)局部小范圍線性化模型，設(shè)計(jì)了基于追溯代價(jià)的在線系統(tǒng)

4、辨識(shí)方法RCSI，該方法可以將辨識(shí)目標(biāo)集中在一個(gè)特定的子系統(tǒng)上，解決了當(dāng)目標(biāo)子系統(tǒng)的輸入輸出無法進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)的系統(tǒng)辨識(shí)問題。此外，對(duì)飛機(jī)局部小范圍線性化模型中不確定的參數(shù)辨識(shí)進(jìn)行了大量的仿真分析，包括常值參數(shù)估計(jì)、時(shí)變參數(shù)估計(jì)和多參數(shù)估計(jì)，分析了不同量測(cè)噪聲情況下的估計(jì)精度與估計(jì)速度。針對(duì)狀態(tài)矩陣中重復(fù)出現(xiàn)參數(shù)的辨識(shí)，設(shè)計(jì)了一種基于雅克比矩陣的子系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)，并在飛機(jī)縱向線性化運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上對(duì)飛行速度變化進(jìn)行了估計(jì)。以飛機(jī)左翼受損的

5、情況為例，在局部小范圍線性化模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用RCSI系統(tǒng)辨識(shí)算法實(shí)現(xiàn)了全部參數(shù)的精確辨識(shí)。
　　再次，針對(duì)部分故障情況需要在線建立滿足迫降軌跡規(guī)劃的平穩(wěn)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的問題，提出了一種基于人工勢(shì)場(chǎng)法的故障后飛機(jī)平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法，利用局部飛行包絡(luò)線信息建立了基于吸引勢(shì)力與排斥勢(shì)力的探索規(guī)劃流程。對(duì)二維探索算法容易陷入局部極小值和探索效率低的問題，提出了三維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法，通過仿真分析驗(yàn)證了算法的有效性。針對(duì)平穩(wěn)飛行狀態(tài)探

6、索過程中的飛行軌跡可行性問題，考慮不同應(yīng)用情況提出了兩種結(jié)合飛行狀態(tài)空間和物理空間的避障算法。第一種算法中，物理空間障礙被映射為飛行狀態(tài)空間內(nèi)的排斥勢(shì)力，該算法優(yōu)點(diǎn)是可以保持受損飛機(jī)飛行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，避免飛行狀態(tài)劇烈變化導(dǎo)致故障惡化；第二種為基于預(yù)測(cè)路徑的避障算法，其可以以最快速度避開物理空間障礙提高狀態(tài)探索過程中的避障效率。仿真結(jié)果驗(yàn)證了兩種避障算法的有效性。
　　最后，研究了基于追溯代價(jià)的自適應(yīng)平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤算法，在雙