非线性自适应高可靠容错飞行控制方法研究

发布时间：2017-12-05 20:08

本文关键词：非线性自适应高可靠容错飞行控制方法研究

【摘要】：传统飞行控制算法是在预先所知并足够精准的飞机动力学模型下进行设计。但当飞机在飞行中突然遭遇舵面不对称满偏卡死甚至因外界突发事件造成单侧机翼严重损伤时,飞行动力学方程在短时间内会突然改变,纵侧向运动发生强烈耦合,一侧机动能力大大降低,传统算法很难控制。针对上述问题,并在无硬/软件余度飞控系统、无主动诊断、以及事故前后每个轴向均等效只有一片舵面可控(不能控制分配)的前提下实现高可靠被动容错控制,本文研究了侧滑飞行鲁棒模型参考自适应姿态控制算法以及神经网络自适应鲁棒非线性模型逆姿态控制算法,解决了卡死/损伤后快速被动地稳定飞行姿态的问题;进一步通过研究航线飞行制导律以及综合自适应制导与控制算法,解决了快速稳定后保证性能的航线飞行问题;最后通过仿真/试飞验证了算法高可靠地进行被动容错控制的有效性与可行性。整个论文主要工作与研究所得成果如下:1.针对单侧副翼满偏卡死和单侧机翼严重损伤后姿态瞬间变坏问题,提出了级联式侧滑飞行鲁棒模型参考自适应飞行控制方法。通过侧滑角PI控制、输出反馈的参考模型通用配置方法以及侧向姿态自适应控制实现了相对阶n~龵=1和n~龵≥2侧向姿态传递函数存在参数不确定性、外界扰动和未建模动态下的姿态误差有界稳定,并在此基础上实现了出侧滑快速稳定飞机的策略。进一步提出e-σ-modification混合自适应律,通过合理的自适应律增益选取方法进一步缩小了传统e-modification自适应律下侧向姿态最终误差界限,提高了飞行性能。2.针对上述卡死,尤其是突然损伤后存在较大非线性姿态方程建模误差而导致的姿态瞬间失控问题,基于严格的有界稳定证明,首先研究了同时能够鲁棒外扰的单隐层神经网络(SHL NN)自适应鲁棒非线性模型逆三轴姿态控制算法,并设计了配置闭环系统暂态指标的PD参数计算方法;其次在损伤下针对未建模舵动态带来的不确定性,设计了动态非线性阻尼信号扩展后的伪控制律;最后进一步针对舵面偏转权限限制问题(静态舵偏位置饱和动态舵速率限制),提出了基于伪控制量限定信号和动态非线性阻尼信号的综合模型参考神经网络自适应非线性模型逆飞行控制算法。这三个阶段最终解决了上述卡死/损伤并有外扰和未建模舵动态下适应性地快速恢复姿态稳定和暂态性能问题,以及在此调节中舵偏过饱和而造成的不可控状态的问题。3.针对上述卡死/损伤飞机继续在能力不足时进行航线绕飞问题,研究了基于线加速度指令的航线跟踪制导律和SHL神经网络自适应鲁棒模型逆制导律,设计出便于内环姿态控制算法接入的制导律形式。前一种制导律提出利用高度偏差和航线侧偏距计算线加速度指令进而反解姿态控制指令的方法,解决了飞机在机动能力不足时的航路点制导问题;后一种将线加速度方程、自适应模型逆算法、伪控制量限定信号以及参考模型相结合,不仅实现了卡死/损伤前后通过直接指定航路点位置信息来跟踪参考航线的制导功能,而且实现了依据能力不足情况自适应修改航迹指令的功能。进一步将制导算法与自适应姿态控制算法结合,提出了三种航线绕飞综合自适应制导与控制算法系统,解决了卡死/损伤前后被动容错的航迹与姿态整体控制功能。4.针对左侧副翼突然向上满偏卡死故障的控制问题,首先在存有姿态扰动和未建模副翼/方向舵动态下仿真了e-σ-modification混合自适应律的级联式鲁棒自适应侧滑飞行姿态控制算法,验证了故障后鲁棒地快速稳定姿态的能力和进一步缩小姿态稳态误差的能力;其次在航线绕飞仿真场景下,继续针对上述卡死情况仿真了三种综合自适应制导与控制算法系统并分析性能和优缺点,验证了算法系统高可靠被动容错地控制能力不足飞机快速稳定和航线续飞的有效性和可行性。5.针对单侧机翼损伤飞机在飞行动力学特性上发生较大变化的问题,研究了其几何特性、质量特性、气动特性,分析了损伤导致的新增特性并总结了其在损伤下的变化规律;在建立并分析损伤飞机非线性运动方程后提出多维牛顿迭代法,解决了全局性迭代求解机翼不对称损伤飞机配平点的问题;在此基础上对其特有的特征根分布、运动模态、时域操稳特性以及频域特性进行了分析,揭示了不同程度损伤对上述飞行动力学特性的影响规律,为设计高可靠容损控制算法提供了相关基础。6.针对左翼40%面积矩突然损伤导致瞬间失控的问题,首先在存有三轴姿态扰动和未建模舵动态下仿真了神经网络自适应鲁棒非线性模型逆控制算法,验证了其被动快速补偿非线性模型误差并保证性能地稳定控制姿态的能力。其次进一步在并存外界姿态扰动、舵偏静态饱和限制、未建模舵动态的情况下对三种综合自适应制导与控制算法完成损伤前后航线绕飞的功能进行了仿真,分析了算法结构与参数如何影响绕飞性能,验证了算法系统高可靠被动容损地控制能力大幅降低飞机快速稳定、航线续飞的有效性和可行性。最后通过外场试飞,验证了适当修改后的第一种算法系统控制未损伤飞机航线跟踪、定高/定向飞,以及控制单侧机翼40%面积矩突然损伤后飞机快速稳定、定高/定向飞、航点跟踪、航线绕飞的能力。
【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

【参考文献】

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