基于非線性動態(tài)逆方法的飛機控制律設計與應用研究.pdf

1、飛行控制律設計是飛機設計中伴隨電傳飛控系統(tǒng)而發(fā)展起來的新興學科，隨著第三代戰(zhàn)機的研制與批量裝備，基于經(jīng)典控制理論的設計和驗證方法已更加成熟。但如今經(jīng)典控制理論在應對飛機的多變量問題和非線性問題時已捉襟見肘，需要新方法新理論的支持；同時現(xiàn)代控制理論的工程化仍面臨大量困難，進展緩慢。
　　本文基于非線性動態(tài)逆的基本原理，以某技術(shù)驗證機StealthF-C為對象，從理論和應用兩個層面，較為深入的研究了飛機飛行控制律的設計問題，并進行了仿

2、真驗證。主要包括:
　　1）采用層疊結(jié)構(gòu)的單變量狀態(tài)反饋動態(tài)逆控制
　　總結(jié)了針對非線性系統(tǒng)的一般逆控制方法，并推導了針對仿射非線性系統(tǒng)的逆系統(tǒng)方法及必要的條件。分別以與體軸系相關(guān)的歐拉角和與風軸系相關(guān)的氣流角為外回路被控變量，以體軸系角速度為內(nèi)回路被控變量，設計了時標分離的單變量層疊動態(tài)逆控制。在建模時分別采用全局方式和鄰域方式劃分仿射非線性系統(tǒng)，給出了期望動態(tài)采用一階模型的完整逆系統(tǒng)控制方案。最后對動態(tài)逆控制的必要條件及

3、優(yōu)缺點進行了總結(jié)。
　　2）基于被控變量設計的多變量輸出反饋動態(tài)逆控制
　　分析了目前飛機狀態(tài)量與飛機控制量始終存在的數(shù)量差異，指出了層疊結(jié)構(gòu)的單變量動態(tài)逆控制未考慮的系統(tǒng)零動態(tài)問題。對已知的三種被控變量方案進行了仿真和分析。基于完整的體軸系方程組，以零輸入時不同的穩(wěn)態(tài)響應為目標，設計了三軸被控變量方案：縱向維持航跡傾角不變(γ=0)，航向維持側(cè)滑角為零(β=0)及橫向維持繞速度矢量滾轉(zhuǎn)角速度為零(ps=0)。分別對被控變量

4、受控時，迎角，側(cè)滑角的零動態(tài)穩(wěn)定性(可斂性和可達性)進行了證明，給出了穩(wěn)定的必要條件和參數(shù)設計原則。設計了以維持高度不變?yōu)槟康牡目v向自動改平被控變量，并證明了被控變量受控時能使迎角穩(wěn)定于在當前狀態(tài)下維持平飛的需求迎角。設計了基于速度穩(wěn)定的自動油門控制。經(jīng)仿真驗證，被控變量設計方案響應正確與設計預期相符合，系統(tǒng)零動態(tài)穩(wěn)定。
　　3）適用于動態(tài)逆的控制分配方法
　　分析了動態(tài)逆矩陣求逆過程與控制分配的關(guān)系，給出了采用逆矩陣或廣義

5、逆矩陣求解動態(tài)逆控制量u時對系統(tǒng)B陣性質(zhì)的要求。針對B陣可能出現(xiàn)的三類情況，基于不同的性能指標，推導了其最優(yōu)逆矩陣P的計算公式。對控制分配問題引入了舵面位置和舵面速率約束，在考慮約束的情況下采用CGI(多級廣義逆)、NSI(零空間橫截)方法進行了控制分配仿真。采用舵面分組在保證精度的前提下極大的減小了NSI方法的計算量。對舵面松浮，舵面卡死，舵面故障回中三種常見的故障模式設計了重構(gòu)控制律。對動態(tài)逆控制律，控制分配策略和舵面重構(gòu)控制邏輯進

6、行了綜合，并對機動過程中發(fā)生故障的情況進行了仿真驗證。在仿真時考慮了容錯控制系統(tǒng)的故障診斷延時，仿真結(jié)果顯示綜合后的控制分配策略能夠達到較滿意的設計目標。4）不確定性對系統(tǒng)的影響分析和解決方案
　　針對仿射非線性系統(tǒng)建立了具有一般性并考慮了不確定性因素的系統(tǒng)狀態(tài)方程，對動態(tài)逆控制下不確定性帶來的影響進行了分析。針對線性 SISO系統(tǒng)，分析了不確定性與系統(tǒng)穩(wěn)定性及階躍輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差的關(guān)系，確定了穩(wěn)定條件和無穩(wěn)態(tài)誤差的條件。分析了隱

7、式動態(tài)逆在考慮不確定性情況下的穩(wěn)定性，給出了其穩(wěn)定條件和不會存在穩(wěn)態(tài)誤差的特性。研究了模糊自適應逆控制律，對SISO仿射非線性系統(tǒng)及MIMO仿射非線性系統(tǒng)下的控制律、自適應律進行了推導，通過Lyapunov函數(shù)證明了自適應律下的誤差穩(wěn)定性。對受到強烈線性、耦合、非線性和控制效能矩陣不確定性影響的MIMO系統(tǒng)以及參數(shù)被大范圍拉偏的StealthF-C飛機進行了仿真驗證，結(jié)果顯示模糊自適應逆控制律滿足設計目標。
　　本文具有較好的理論