基于飞行品质、敏捷性要求的控制律设计方法研究

论文摘要

随着航空技术的发展,先进气动布局和控制技术在现代战斗机设计中得到了广泛应用,使得飞机飞行包线向低速大迎角端的延伸成为可能。在电传操纵系统和大迎角区域非线性、非定常气动力的综合作用下,现代战斗机具有新的飞行动力学特性,使得传统的飞行品质指标,如操纵期望参数（CAP）,短周期阻尼比,频域Neal-Smith准则等,不能全面反映大迎角区域飞行品质评估要求,需要引入新的飞行品质评估和设计指标。同时,建立在点性能、能量机动性及飞行品质指标基础上的敏捷性指标成为反映现代先进战斗机近距空战效能的另一个重要技术特征。为此,在控制律设计中,需要以飞行品质、敏捷性为设计目标,结合控制效能、鲁棒性要求,开展折衷设计方法研究。本文重点分析了新型时域Neal-Smith飞行品质指标。利用Rosenbrock优化算法,计算得到驾驶员操作补偿和飞机的时域响应特性,得出飞行品质量化指标,用于大迎角飞行品质评估,并利用线性与非线性飞行动力学模型进行了验证计算。其次,对飞机敏捷性指标进行了研究。以纵向敏捷性指标为例,选取两种不同构型的飞机,进行了仿真计算,分析了重心位置、俯仰惯性矩、控制系统等因素对敏捷性的影响。在此基础上,以飞行品质、敏捷性为设计目标,结合控制效能、鲁棒性要求,以解耦的特征结构配置方法为控制律设计基本手段,对纵向控制系统进行折衷设计。研究结果表明,折衷设计方法可以初步确定控制律的合适范围,对现代战斗机的设计具有一定参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和现状
• 1.2 本文的主要工作
• 第二章 飞机飞行动力学仿真数学模型
• 2.1 飞机本体数学模型
• 2.1.1 飞机刚体动力学方程
• 2.1.2 飞机线性小扰动线化方程组
• 2.2 飞机电传操纵系统概述
• 2.3 六自由度非线性数学模型
• 2.3.1 JSB 基本模块构架
• 2.3.2 飞行动力学仿真系统基本流程及各模块之间的关系
• 2.3.3 基于XML 的飞机仿真配置文件
• 2.3.4 飞机控制系统建模
• 第三章 大迎角飞行品质准则
• 3.1 常规迎角飞行品质准则不适用分析
• 3.2 时域 Neal-Smith 准则
• 3.2.1 TDNS 准则评估飞行品质的数学模型
• 3.2.2 飞行品质评价指标
• 3.2.3 优化计算
• 3.3 线性计算结果
• 3.4 基于JSB 飞机模型的非线性计算结果
• 3.4.1 纵向控制系统
• 3.4.2 计算结果
• 第四章 纵向敏捷性研究
• 4.1 敏捷性定义及分类
• 4.2 纵向敏捷性尺度
• 4.3 敏捷性战斗机的敏捷性要求
• 4.3.1 最大负单位剩余功率
• 4.3.2 滚转并截获90 倾斜角时间
• 4.3.3 最小机头下俯加速度
• 4.3.4 最大可配平迎角
• 4.3.5 最大侧向加速度
• 4.4 算例
• 4.4.1 构型A
• 4.4.2 构型B
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 影响因素
• 4.5.1 重心位置的影响
• 4.5.2 惯性矩的影响
• 4.5.3 其它影响因素
• 第五章 基于时域 Neal-Smith 准则、敏捷性、控制效能、鲁棒性的控制律综合设计
• 5.1 综合设计方法
• 5.2 特征结构配置算法
• 5.3 设计指标选取
• 5.3.1 飞行品质
• 5.3.2 控制效能——Frobenius 范数准则
• 5.3.3 敏捷性——俯仰角加速率准则
• 5.3.4 鲁棒性——最小奇异值原理
• 5.4 四阶纵向线性派生系统算例
• 5.5 基于JSB 飞机模型的非线性计算结果
• 5.6 结论
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的主要论文