歼击机过失速机动边界判定与保护控制

发布时间：2017-08-08 14:09

  本文关键词：歼击机过失速机动边界判定与保护控制

  更多相关文章： 先进歼击机 过失速机动 非线性系统 飞行边界定义 可达平衡集 可达集 状态受约束机动能力 鲁棒模型预测控制 边界保护

【摘要】：随着现代空战理念的不断革新,歼击机过失速机动已成为新一代战机的核心技术,同时,过失速机动的安全问题也成为一个值得深入研究的重点问题。过失速机动的安全问题与过失速机动能力有着密切的联系,定量给出当前状态下的机动能力边界值,并在飞行过程中合理选择相应状态变量加以约束,对于保证过失速机动的安全性与机动的完成,实现驾驶员的“无忧虑”操纵有着重要意义。因此,先进歼击机飞行边界判定和边界保护的研究是一项具有前沿性与挑战性的课题。本文针对这一问题,基于歼击机气动模型,提出飞行边界的判定方法,并以过失速绕速度矢量轴滚转机动与俯仰滚转耦合机动为例对边界进行边界判定与分析,进而设计过失速绕速度矢量轴滚转机动边界保护控制系统。主要研究内容如下:首先,结合非定常气动力研究成果,建立先进歼击机非线性数学性模型,并对模型的结构、参数设置、飞行开环零输入响应及耦合特性进行分析,为后续过失速机动边界判定及边界保护研究打下基础。其次,分析经典动态逆控制律在过失速绕速度矢量轴滚转机动中的失控过程,引出边界判定与保护控制。基于先进民用飞机飞行边界的判定思想,对传统歼击机飞行包线的定义进行拓展,给出了动态机动边界定义及具有普适意义的边界算法。同时针对过失速机动动态边界,借助可达平衡集的机动能力评价方法给出失控判定准则,总结出过失速机动动态边界即状态受约束下的机动能力。然后,根据提出的失控判定准则得到状态约束,借助动态配平思想与可达平衡集方法,对过失速机动中的绕速度矢量轴滚转机动与俯仰滚转耦合机动的边界进行有限元计算和分析,并结合飞机耦合特性对求得边界的正确性进行运动机理验证。另外以深失速为例,针对过失速机动中的危险状态,把借助可达集方法计算出的危险状态收敛域作为边界。最后,对边界保护控制系统进行整体设计,并将问题分为三部分,即角速度环控制器设计,姿态环控制器设计与边界保护控制器设计。在保护控制中综合采用指令约束与状态受约束控制的复合保护方法,并将状态受约束控制律与内环控制律进行综合设计,采用基于反馈线性化的鲁棒模型预测控制律,并以三类典型过失速机动对设计的控制算法的可行性进行验证。在边界算法中,为了得到未来状态的边界,提出了基于可达集方法的受约束状态预测算法,最终,以绕速度矢量轴滚转机动为例,对设计的边界保护控制系统进行仿真验证。仿真结果表明,在歼击机超机动过程中,边界保护系统体现出较好的保护性能。
【关键词】：先进歼击机 过失速机动 非线性系统 飞行边界定义 可达平衡集 可达集 状态受约束机动能力 鲁棒模型预测控制 边界保护
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V271.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 注释表13-16
• 第一章 绪论16-24
• 1.1 课题研究背景与意义16-17
• 1.2 研究现状综述17-23
• 1.2.1 飞行边界判定研究现状17-18
• 1.2.2 现代飞行控制研究现状18-21
• 1.2.3 边界保护控制研究现状21-23
• 1.3 本文的研究内容及安排23-24
• 第二章 先进歼击机非线性系统模型及分析24-41
• 2.1 引言24-25
• 2.2 歼击机非线性模型的构建25-32
• 2.2.1 飞机模型的基本概念25-26
• 2.2.2 歼击机运动学非线性建模26-28
• 2.2.3 歼击机气流系非线性模型28-29
• 2.2.4 结构参数29
• 2.2.5 控制变量29-30
• 2.2.6 标准大气模型30-31
• 2.2.7 发动机模型31-32
• 2.3 歼击机非线性模型特性分析32-35
• 2.3.1 开环零输入响应特性32-33
• 2.3.2 运动耦合特性33-34
• 2.3.3 惯性耦合特性34-35
• 2.4 纵向非定常气动系数建模与分析35-40
• 2.4.1 非定常气动系数的数学形式35-37
• 2.4.2 非定常气动系数的实验数据形式37
• 2.4.3 非定常气动系数的数值估计方法37-39
• 2.4.4 非定常气动系数参数估计结果39
• 2.4.5 非定常气动力特性分析39-40
• 2.5 本章小结40-41
• 第三章 歼击机过失速机动边界判定方法41-56
• 3.1 歼击机过失速机动边界保护需求分析41-46
• 3.1.1 歼击机过失速机动动态逆控制器设计41-44
• 3.1.2 飞行控制律失控分析44-46
• 3.2 飞行边界与动态机动边界46-48
• 3.2.1 传统歼击机飞行包线与民用飞机飞行边界46
• 3.2.2 飞行边界的定义与分类46-47
• 3.2.3 动态机动边界的定义与判定方法47-48
• 3.3 过失速机动动态机动边界的判定48-51
• 3.3.1 气动力与机动能力关系48-49
• 3.3.2 飞行状态、机动状态及机动能力间关系49-50
• 3.3.3 失控判定准则与状态约束50
• 3.3.4 基于机动基元的状态受约束50-51
• 3.4 状态受约束的机动能力计算方法51-55
• 3.4.1 动态配平与可达平衡集51-53
• 3.4.2 基于水平集方法的可达集计算53-54
• 3.4.3 过失速机动边界估计方法54-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 歼击机典型过失速机动边界分析56-73
• 4.1 引言56-57
• 4.2 常规机动边界57-61
• 4.2.1 定常平飞包线57
• 4.2.2 盘旋升降机动57-58
• 4.2.3 过载包线58-61
• 4.3 过失速绕速度矢量轴滚转机动边界61-67
• 4.3.1 推力矢量对过失速机动性能的影响61-62
• 4.3.2 绕速度矢量轴滚转边界的物理意义62-65
• 4.3.3 绕速度矢量轴滚转的外环约束65-66
• 4.3.4 速度矢量环状态约束的姿态环环映射66-67
• 4.4 俯仰滚转耦合机动边界及其机理分析67-70
• 4.4.1 俯仰力矩边界68-69
• 4.4.2 滚转力矩边界与偏航力矩边界69-70
• 4.5 危险状态边界70-72
• 4.5.1 非定常气动力对飞机深失速的影响70-72
• 4.5.2 二维深失速走廊72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 歼击机过失速机动边界保护控制系统设计73-98
• 5.1 歼击机过失速机动边界保护控制系统框图73-75
• 5.1.1 反馈线性化控制器系统框图74
• 5.1.2 过失速机动边界保护控制器系统框图74-75
• 5.2 歼击机反馈线性化控制律75-83
• 5.2.1 反馈线性化的理论基础75-77
• 5.2.2 多输入多输出系统的反馈线性化77-80
• 5.2.3 先进歼击机反馈线性化控制器设计80-83
• 5.3 基于鲁棒模型预测控制的状态受约束控制律83-89
• 5.3.1 不确定系统的线性分式描述及预测方程84-85
• 5.3.2 Minmax优化问题描述85-87
• 5.3.3 鲁棒约束问题的描述87-88
• 5.3.4 鲁棒模型预测控制的终端稳定性约束88-89
• 5.4 基于反馈线性化鲁棒模型预测控制律设计89-92
• 5.4.1 线性分式结构90-91
• 5.4.2 线性系统的离散化91
• 5.4.3 鲁棒模型预测控制律的参数选择91-92
• 5.5 歼击机过失速机动仿真及结果分析92-96
• 5.5.1 普加乔夫眼镜蛇机动93
• 5.5.2 绕速度矢量轴滚转93
• 5.5.3 Herbst俯仰滚转耦合机动93-96
• 5.6 歼击机过失速绕速度矢量轴滚转机动边界保护96
• 5.7 本章小结96-98
• 第六章 总结与展望98-100
• 6.1 本文的主要工作98-99
• 6.2 本文的不足与展望99-100
• 参考文献100-106
• 致谢106-107
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文107-108
• 附录1 歼击机力及力矩气动系数108-109

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本文编号：640361