飞机低空飞行控制器设计方法研究

发布时间：2017-08-06 23:01

  本文关键词：飞机低空飞行控制器设计方法研究

  更多相关文章： 飞行控制器 大迎角机动 重装空投 短距起降 分支分析 块对角反步法 干扰观测器 地面效应 风切变

【摘要】：飞机飞行状态和低空飞行任务的变化,需要不同的飞行控制器保障低空飞行安全。飞机低空飞行时,易遭受地面效应、风切变、侧风等不确定干扰的作用,特别是推力方向固定、没有较大辅助升力装置的飞机进行大迎角机动飞行、超低空重装空投、短距起降等机动时,还将遭受气动非线性、惯性参数突变、低空飞行状态和系统输入受限等因素的影响,严重威胁飞机的低空飞行安全。为此,论文结合“大迎角机动飞行”、“超低空重装空投”和“短距起降”典型低空飞行任务,以保障飞机低空飞行安全为目的,研究了飞机低空飞行控制器设计方法。首先通过对飞机大迎角运动分支结构的分析,实现对飞机潜在不稳定运动的预测;然后通过设计低空宽适应飞行控制器实现对不稳定大迎角运动趋势的抑制、重装空投过程的高度和姿态保持以及短距起降过程对飞行轨迹的鲁棒性跟踪;最后通过地面小车航路点跟踪控制试验、ATUH-10无人机自主巡航控制试验对部分简化的控制器设计方法进行了验证。论文主要工作和创新点包括:1.针对失速等飞机纵向潜在不稳定运动现象的系统性预测和抑制问题,提出了基于分支理论的飞机纵向大迎角不稳定运动分析及稳定控制方法。首先采用微分几何、中心流形降维、反向时间变换和分支理论给出了飞机纵向大迎角运动的静态分支和动态分支结构的系统性确定方法;然后结合F-8飞机纵向运动模型,采用数值方法讨论了空速和升降舵偏角的变化对鞍结分支和Hopf分支的产生、发展和消失的影响,以及Hopf分支点附近不稳定振荡的周期和振幅随升降舵偏角的变化规律;最后基于多包线LQG参数拟合设计了纵向飞行控制器,实现对F-8空速大范围变化或初始状态偏离平衡点较远两种情形的有效镇定。2.针对飞机过失速机动后引起的Falling-Leaf运动等三维不稳定运动现象的预测和抑制问题,提出了飞机三维大迎角不稳定运动预测方法及宽适应镇定器设计方法。考虑到分支分析的解析算法难度与模型阶数呈指数增长的问题,给出了飞机三维大迎角运动分支结构的数值确定方法,并结合F/A-18模型讨论了舵面变化对分支结构的影响,以及可能诱发的Falling-Leaf运动、惯性耦合跳跃运动等不稳定运动现象;为了保障飞行安全,设计了大迎角不稳定运动的鲁棒镇定方法:针对气动参数不确定问题,采用滑模观测器实现对组合不确定项的有限时间估计;为避免反步法中高阶虚拟指令导数迭代求解的问题,引入了二阶指令滤波网络;再结合块对角反步法、自适应PID控制设计了飞行控制器以跟踪指令速度和航迹角。稳定性分析表明在弱不确定扰动下所提控制器可保证闭环系统一致渐近有界。3.针对货物移动、地面效应、侧风扰动等不确定干扰和空投瞬间的强“跷跷板”突变效应严重威胁飞机超低空重装空投的飞行安全问题,提出了面向飞机超低空重装空投过程的安全控制器设计方法。考虑到超低空重装空投过程中飞机重心位置、惯性矩、质量等参数的变化,以及侧风和地效等不确定干扰对空投的影响,建立了三维空投过程的不确定突变模型;为了保证飞行安全,采用四级复合控制方法和构造鲁棒项方法设计了三维飞行控制律:先逐层设计位置回路的虚拟指令,使位置、航迹角和姿态角偏差向内逐层传递,再设计舵面和油门控制量消除位置和空速回路的偏差。通过构造李雅普诺夫函数,证明了闭环系统可在不同地效环境、不同空投质量以及不同侧风强度等有界干扰下获得一致渐近有界稳定性。4.针对飞机短距起降过程对飞行轨迹跟踪性能和对不确定干扰的鲁棒性能要求,提出了飞机短距起降宽适应控制器设计方法。为了实现推力方向固定、没有较大辅助升力装置的飞机的短距起降功能,设计了飞机大迎角起降轨迹指令;为使飞行状态满足低空飞行安全约束,构造了二阶受限指令滤波器;根据状态和输入的饱和偏差构造PID型抗饱和补偿器以解决输入和状态饱和引起的控制精度下降问题;结合滑模观测器、块对角反步法、自适应控制和PID控制设计了飞机起降轨迹跟踪控制器,实现了对地效、风切变等不确定扰动的有限时间估计和补偿。结合F/A-18模型并考虑测量噪声和偏差、未建模动态和不确定干扰等问题,通过模拟实际飞行环境对部分控制器设计方法进行了仿真验证。基于GPS/IMU/磁阻传感器数据和飞机运动学方程,采用混合EKF实现了对所有飞行状态的线性最小方差估计;在输入充分激励的条件下,采用递推最小二乘估计和混合EKF对F/A-18飞机进行了气动模型辨识;考虑噪声环境下不确定项的估计问题,设计了非线性干扰观测器实现对模型偏差及气动扰动等组合不确定项稳态值的指数收敛性估计,再根据飞行状态估计值和不确定项的估计值设计宽适应飞行控制器,实现对飞行指令的鲁棒性跟踪。最后搭建了试验验证平台,并通过地面小车航路点跟踪试验、无人机自主巡航控制试验验证了部分简化的控制器设计方法的有效性。
【关键词】：飞行控制器 大迎角机动 重装空投 短距起降 分支分析 块对角反步法 干扰观测器 地面效应 风切变
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符号表11-15
• 第一章 绪论15-33
• 1.1 选题背景及意义15-16
• 1.2 国内外研究现状及存在问题16-28
• 1.2.1 飞机大迎角运动分析及控制17-24
• 1.2.2 低空机动飞行过程的控制研究24-28
• 1.2.3 存在问题28
• 1.3 总体思路及研究内容28-33
• 第二章 飞机纵向大迎角运动分支分析与稳定控制33-57
• 2.1 飞机纵向运动模型33-34
• 2.2 飞机纵向非线性运动分支分析34-54
• 2.2.1 系统平衡点连续性确定方法34-35
• 2.2.2 基于微分几何的静态分支分析35-40
• 2.2.3 基于中心流形降维和反向时间变换的动态分支分析40-46
• 2.2.4 飞机非线性动力结构数值仿真46-54
• 2.3 基于多包线LQG参数拟合的宽适应控制律设计54-55
• 2.4 小结55-57
• 第三章 飞机三维大迎角不稳定运动分析与稳定控制57-81
• 3.1 飞机三维运动模型57-58
• 3.2 飞机三维大迎角运动不稳定现象预测分析58-64
• 3.2.1 基于数值微分的高阶系统分支分析方法58-59
• 3.2.2 飞机三维大迎角运动分支特性数值仿真59-61
• 3.2.3 飞机三维大迎角奇异现象数值模拟及分析61-64
• 3.3 飞机三维运动宽适应镇定方法64-72
• 3.3.1 含不确定项的严参数反馈模型64-66
• 3.3.2 宽适应控制器结构设计66
• 3.3.3 空速子系统自适应鲁棒PID控制器设计66-67
• 3.3.4 基于块对角反步法的航迹子系统自适应PID控制器设计67-69
• 3.3.5 控制系统闭环稳定性分析69-71
• 3.3.6 滑模观测器稳定性分析71-72
• 3.4 飞机三维不稳定运动控制仿真72-80
• 3.4.1 Falling-Leaf运动趋势抑制72-76
• 3.4.2 惯性耦合跳跃运动趋势抑制76-79
• 3.4.3 对比分析79-80
• 3.5 小结80-81
• 第四章 飞机超低空重装空投建模与突变控制81-103
• 4.1 含组合不确定项的三维空投模型81-86
• 4.1.1 货物在机舱内移动时运输机的线运动模型81-82
• 4.1.2 货物在机舱内移动时运输机的角运动模型82
• 4.1.3 货物在机舱内的运动规律82-83
• 4.1.4 侧风和地效扰动下的空投模型83-86
• 4.2 三维宽适应空投控制律设计86-88
• 4.2.1 基于复合控制的三维非线性控制律设计86-87
• 4.2.2 控制系统闭环稳定性分析87-88
• 4.3 空投仿真88-96
• 4.4 对比分析96-100
• 4.5 小结100-103
• 第五章 飞机短距起降宽适应控制律设计103-135
• 5.1 输入和状态受限系统的控制器设计103-108
• 5.1.1 输入受限条件下控制器设计103-106
• 5.1.2 输入和状态受限条件下控制器设计106-108
• 5.2 飞行轨迹鲁棒跟踪控制律设计108-116
• 5.2.1 飞行轨迹控制方程108-109
• 5.2.2 飞行轨迹跟踪控制律结构109
• 5.2.3 飞行轨迹鲁棒跟踪控制器设计109-114
• 5.2.4 控制系统闭环稳定性分析114-116
• 5.3 短距起飞轨迹控制仿真116-123
• 5.4 短距着陆轨迹控制仿真123-129
• 5.5 对比分析129-132
• 5.6 小结132-135
• 第六章 飞行控制仿真及部分简化试验验证135-175
• 6.1 飞行仿真135-158
• 6.1.1 基于GPS/IMU/磁阻传感器和混合EKF的飞行状态估计135-145
• 6.1.2 基于RLSE和混合EKF的气动参数辨识145-151
• 6.1.3 基于状态估计值的非线性干扰观测器设计151-152
• 6.1.4 基于混合EKF和NDO的鲁棒自适应控制器设计152-154
• 6.1.5 飞行控制仿真154-158
• 6.2 试验系统构建158-162
• 6.2.1 状态数据获取与存储158-161
• 6.2.2 舵机和电机PWM控制161-162
• 6.2.3 简化的姿态融合估计方法162
• 6.3 地面小车试验162-167
• 6.3.1 MIN-900 安装位置调试163-164
• 6.3.2 地面小车模型辨识164-165
• 6.3.3 简化的航向控制策略165-166
• 6.3.4 简化的路径跟踪试验166-167
• 6.4 简化的无人机飞行试验167-174
• 6.4.1 无人机试验面临的技术挑战分析167-168
• 6.4.2 简化的飞行控制器设计168-170
• 6.4.3 典型飞行试验170-174
• 6.5 小结174-175
• 第七章 总结与展望175-179
• 7.1 总结175-176
• 7.2 展望176-179
• 致谢179-181
• 参考文献181-191
• 附录191-192
• 发表论文和参加科研情况说明192-194

【参考文献】

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本文编号：631763