模型预测控制方法在预防Ⅱ型飞行员诱发振荡上的应用研究

发布时间：2017-06-28 16:03

  本文关键词：模型预测控制方法在预防Ⅱ型飞行员诱发振荡上的应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：飞行安全一直是航空领域关注的首要问题,而飞行员诱发振荡(PIOs)是一种广为人知、后果惨重的飞行事故,会严重威胁到飞行安全。因此,如何预防PIOs现象是飞行领域中一项重要的研究任务。历来发生的许多典型、严重的PIOs大多是由速率限制器引发的Ⅱ型PIOs。现代人-机闭环系统中,为保护机械设备性能,需要配备速率限制器,但速率限制器对输入信号速率有固定限制范围,当输入信号速率远大于速率限制器的限制值时,速率限制会被激活,造成输出幅值降低、并产生附加的相位滞后,从而导致飞行员判断失误、过分反复操作,引发Ⅱ型PIOs。本文针对人-机闭环系统,基于模型预测控制(MPC)理论设计了控制器。利用MPC算法能够将系统约束考虑在内、同时保证系统稳定性的特点,将速率限制器的限制条件转变成系统输入的约束条件进行处理,从而能够保证输入值在合理范围内,进而克服限制器的负作用,从根本上杜绝Ⅱ型PIOs的发生。本文从两个方面全面验证了MPC控制器在预防Ⅱ型PIOs上的有效性和可行性。首先,选取较常见的增益飞行员模型,Neal-smith飞机模型来建立人-机闭环系统,并基于Matlab平台进行模型预测控制器的编程设计和仿真。在正弦输入信号作用下,分析了控制器对系统相位的影响,结果表明,MPC控制器能使系统相位相对于输入有所超前,在一定程度上补偿了由速率限制引发的相位滞后现象。改变增益飞行员模型取值,对系统进行时域响应分析。发现未发生振荡时,MPC控制器作用不明显,但当振荡出现时,MPC控制器能快速且有效地对振荡进行抑制,并消除系统误差,MPC方法用于抑制Ⅱ型PIOs的可行性得到了初步验证。此外,基于Simulink仿真平台,分别针对由不同的飞机模型与飞行员模型组成的闭环系统,将MPC控制器与其他四种抑制器(如DASA抑制器,RLF抑制器等)进行了相位补偿效果和阶跃响应对比。仿真结果显示,相同输入信号及飞行条件下,MPC控制器对系统的相位补偿效果明显好于其他四种抑制器,且系统响应较好。在美国空军标准(1797A-STD-ML)规定的正弦跟踪、离散俯仰以及阶跃跟踪任务下,与其他抑制器的跟踪情况相比,MPC控制器能够有效跟踪三种任务,且控制效果较好。MPC方法的有效性进一步得到了验证。
【关键词】：模型预测控制( MPC ) 飞行员诱发振荡(PIOs) 速率限制器 人-机闭环系统 相位滞后
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V328;V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景和意义10-11
• 1.2 研究现状11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-12
• 1.2.2 国内研究现状12-14
• 1.3 本文的工作14-15
• 第二章 飞行员诱发振荡（PIOs）15-25
• 2.1 飞行员诱发振荡简介15-18
• 2.1.1 PIOs的定义15-16
• 2.1.2 PIOs的分类16-17
• 2.1.3 PIOs的影响因素17-18
• 2.2 Ⅱ型PIOs成因分析18-22
• 2.2.1 Ⅱ型PIOs18
• 2.2.2 速率限制器18-22
• 2.3 Ⅱ型PIOs的判别准则22-24
• 2.3.1 描述函数（DF）法22-23
• 2.3.2 开环起始点（OLOP）准则23
• 2.3.3 Gap等其他准则23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 模型预测控制（MPC）方法及控制器设计25-34
• 3.1 MPC的理论发展25-30
• 3.1.1 MPC方法的主要组成部分25-27
• 3.1.2 MPC方法的特点27
• 3.1.3 MPC算法的基本原理27-30
• 3.2 MPC控制器的设计30-33
• 3.3 本章小结33-34
• 第四章 MPC控制器作用于人-机闭环系统的仿真分析34-41
• 4.1 系统相位分析34-38
• 4.2 系统响应分析38-40
• 4.3 本章小结40-41
• 第五章 MPC控制器与其他抑制器的作用对比41-58
• 5.1 相位抑制器41-44
• 5.1.1 死区增稳抑制器DASA41-42
• 5.1.2 开关型抑制器DS42
• 5.1.3 速率限制反馈抑制器RLF42-43
• 5.1.4 SAAB抑制器43-44
• 5.2 相位补偿效果对比分析44-47
• 5.3 阶跃响应对比分析47-52
• 5.4 特定任务下的仿真分析52-57
• 5.4.1 阶跃跟踪任务52-54
• 5.4.2 离散俯仰任务54-55
• 5.4.3 正弦跟踪任务55-57
• 5.5 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 本文主要工作及结论58-59
• 6.2 展望59-60
• 参考文献60-64
• 发表论文和科研情况说明64-65
• 致谢65-66

【参考文献】

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本文编号：494411