基于非線性控制的大型民機(jī)包線保護(hù)策略研究.pdf

1、大型民用飛機(jī)是我國中長期發(fā)展規(guī)劃十六個重大研究專項之一，在國家工信部民機(jī)科研專項(No.MJZ-2011-S-06，No.MJZ-2015-S-080)資金資助下，本論文圍繞飛行控制系統(tǒng)設(shè)計中的包線保護(hù)這一主動控制問題，開展了基于非線性控制的大型民機(jī)飛行包線保護(hù)策略研究工作，論文依次從大型民機(jī)的非線性動力學(xué)建模，反步法飛行控制律的設(shè)計，快速魯棒反步控制律的研究，飛行包線保護(hù)策略的研究四個主要方面進(jìn)行了闡述，具體內(nèi)容如下：
　　1.

2、以波音B747-100/200大型民機(jī)為研究對象，研究六自由度剛體非線性動力學(xué)。首先，利用剛體一般運動方程，推導(dǎo)了氣流系變量和航跡系變量的動力學(xué)方程。其次，采用氣動系數(shù)和氣動導(dǎo)數(shù)建立氣動參數(shù)模型，計算氣動力和力矩，并研究了模型中重力、氣動、推進(jìn)、風(fēng)力項力和力矩的表達(dá)式。最后對動力學(xué)模型包括仿真使用的模型和非線性控制律設(shè)計使用的矩陣形式模型進(jìn)行了總結(jié)，并簡化出縱向運動模型，利用MATLAB/Simulink對飛機(jī)模型的開環(huán)特性進(jìn)行分析。<

3、br>　　2.針對大型民機(jī)非線性標(biāo)稱模型的控制問題，設(shè)計了基于反步法的指令跟蹤控制律。首先，運用李亞普諾夫穩(wěn)定性理論給出了反步法跟蹤控制律的一般形式，結(jié)合飛行器縱向運動顯式方程，研究了控制律參數(shù)對指令跟蹤反步法控制律的性能影響。其次，根據(jù)第二章建立的縱向運動單輸入單輸出模型，采用反步方法設(shè)計了俯仰角和攻角的指令跟蹤控制律。最后，設(shè)計了矢量反步姿態(tài)跟蹤控制律，應(yīng)用于六自由度多輸入多輸出模型。仿真結(jié)果表明，在標(biāo)稱模型下，指令跟蹤效果很好；當(dāng)

4、模型存在不確定或發(fā)生故障時，指令跟蹤效果受到影響，性能有所降低。
　　3.針對大型民機(jī)非線性、模型不確定的控制問題，利用快速終端滑模理論，研究了一類快速魯棒反步控制方法。首先運用徑向基函數(shù)（Radial Basis Function，RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、快速終端滑模、反步控制思想，提出了一種快速魯棒自適應(yīng)反步（Fast Robust Adaptive Backstepping，F(xiàn)RAB）控制律設(shè)計方法。該方法具有指令跟蹤誤差收斂速度

5、快，跟蹤精度高，魯棒性好等優(yōu)點。其次，利用超螺旋滑?？刂品椒ㄔO(shè)計了基于非線性干擾觀測器的快速魯棒反步控制律，仿真結(jié)果顯示，該方法不僅繼承了FRAB控制器的特點，還能快速準(zhǔn)確地估計復(fù)合干擾。最后，利用基于傳感器反步控制（Sensor Based Backstepping，SBB）方法，設(shè)計了快速魯棒控制律，該方法需要使用傳感器信息，不依賴于模型，不必對擾動進(jìn)行估計就具有魯棒能力。
　　4.針對大型民機(jī)包線保護(hù)的控制問題，探討了不同的

6、包線保護(hù)的策略。首先對經(jīng)典的迎角限制器的性能做了分析。其次，采用預(yù)測控制，設(shè)計了一種直接具有包線保護(hù)功能的控制器。最后，基于第四章提出的快速魯棒反步控制器，提出兩種保護(hù)方案即指令限制和控制模態(tài)切換，應(yīng)用到包線保護(hù)的控制任務(wù)中。控制模態(tài)切換策略具有設(shè)計簡單的特點，但是由于切換，存在穩(wěn)定性證明困難。指令限制策略能保證穩(wěn)定性，需要利用模型進(jìn)行設(shè)計。兩種方法的性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的迎角限制器，并且在故障條件下的仿真表明，設(shè)計的包線保護(hù)控制器具有良好的