多操縱面飛行器控制分配技術的發展及應用

陳勇, 董新民, 薛建平, 王小平, 劉勤

(空軍工程大學 工程學院, 陜西 西安 710038)

多操縱面飛行器控制分配技術的發展及應用

陳勇, 董新民, 薛建平, 王小平, 劉勤

(空軍工程大學 工程學院, 陜西 西安 710038)

控制分配是先進多操縱面飛行器控制理論及應用的一項關鍵技術。首先介紹了多操縱面布局的典型操縱面,然后從靜態、動態和非線性三個方面分別論述了控制分配技術的最新研究成果,概述了航空航天領域及其他工業領域的應用情況。最后總結了控制分配的幾個關鍵問題,討論了今后可能的研究方向。

飛行控制系統; 多操縱面布局; 控制分配; 級聯控制結構

引言

隨著對飛機機動性、安全性和可靠性要求的不斷提高,現代先進的氣動布局常采用過驅動配置。通過各軸向設計冗余的執行機構,為飛行控制律提供多種組合方式,極大地提高了飛機故障條件下的重構能力和戰場條件下的生存能力。但操縱面的增多使控制耦合度增強,執行器的非線性動態特性更為明顯,如何實現指令的有效分配已經成為多操縱面飛行控制系統設計中必須首先解決的問題。

近年來,控制分配作為向冗余執行器分配控制律指令的關鍵技術,已受到國內外專家的廣泛關注[1]。控制分配器有兩個突出優點[2]:能夠考慮執行器物理約束生成控制指令;操縱面故障時無需重新設計飛行控制律即可實現控制重構。

目前,控制分配技術除了在先進戰斗機、客機、導彈、飛碟、飛艇、再入飛行器等航空航天領域成功應用外,還在艦船、機動車、發動機等工業領域也得到了快速發展。本文在分析典型多操縱面布局的基礎上,構造了帶控制分配器的級聯飛行控制結構,從理論研究和工程應用兩個方面論述了控制分配技術的最新成果,指出了存在的問題和潛在的研究方向。

1 多操縱面布局及分類

隨著氣動布局的不斷發展,多操縱面飛行器除了配置方向舵、副翼、平尾等常規舵面外,還引入多種創新型廣義氣動操縱面,如升降副翼、全動翼梢、嵌入式舵面、前緣襟翼、翼梢小翼、開裂式方向舵、后緣襟副翼、擾流板、推力矢量等。國外典型先進飛行器的操縱面配置如圖1所示。

圖1 國外典型飛行器的操縱面配置

研究表明[3],創新型操縱面的氣動控制效率較常規舵面高,可提供足夠的各向控制力矩,但存在操縱面偏轉造成不利耦合力矩的問題。因此,消除或避免不利耦合力矩,開展綜合控制研究是開發使用新型高效氣動操縱面的關鍵。

2 多操縱面控制結構框架

圖2所示為帶控制分配器的多操縱面飛控系統級聯控制結構[2]。飛行控制律模塊基于虛擬指令設計,控制分配器則通過控制效能映射函數將虛擬指令進行合理分配,經執行機構實現對飛機的控制。

圖2 多操縱面飛控系統級聯控制結構

考慮多操縱面飛行器的仿射非線性模型為:

(1)

式中,x(t)∈Rn為系統的狀態;u(t),δ(t)∈Rm分別為執行器指令的期望值和實際值,通常δ(t)≠u(t);f(·)和fδ(·)分別為飛機和執行器的非線性動態特性;gδ(·)為控制輸入函數。在級聯控制結構中,通常引入飛機的控制力矩或偏轉角加速度作為虛擬控制v∈Rk,直接控制飛機三軸方向的運動,滿足:

v(t)=gu(x,u)u(t)

(2)

gv(x,v)v(t)=gδ(x,δ)δ(t)

(3)

式中,gv(·)為虛擬輸入函數;gu(·)為v(t)與u(t)之間的映射函數。

控制分配問題就是按照預定的優化目標將期望控制v(t)最優地分配到冗余受限執行器u(t)上[4]。對v(t)線性化可將線性控制分配問題描述為:

v(t)=Bu(t),u(t)∈Ω

(4)

式中,B∈Rk×m為行滿秩控制效率矩陣;Ω為執行器位置約束和速率約束構成的凸集:

Ω={δ(t)|δmin≤δ(t)≤δmax,

(5)

(6)

3 控制分配技術的理論研究現狀

控制分配技術經歷了從靜態到動態、從單目標到多目標、從線性到非線性的發展過程,已經延伸出多種分配策略。

3.1 靜態控制分配方法

靜態控制分配主要包括直接分配、廣義逆分配、串接鏈分配等經典方法。

3.1.1直接分配法

直接分配是1992年佛吉尼亞理工大學W C Durham教授基于轉矩可達集提出來的[5],存在計算量大的問題。為改進直接分配算法的解算速度,相繼提出了次優分配法和對邊搜索法,但仍可能得不到最優解。文獻[6]提出了具有共面控制的球面快速搜索算法。文獻[7]通過矩陣空間轉換構造了直接分配的線性規劃形式,保證最優的同時避免了高維控制量的空間計算。李衛琪等[8]通過步進式搜索可達集空間的所有表面提出了相鄰面搜索算法。

直接分配法的優點在于幾何意義直觀、虛擬指令不變向、能完全實現可達集指令,缺點是實時性難以保證。

3.1.2廣義逆分配法

廣義逆分配主要包括偽逆、加權偽逆、再分配偽逆、級聯廣義逆、自適應廣義逆等方法。

偽逆法是早期發展的一種以偏轉量最小為優化目標的控制分配方法。通過F-18仿真表明[9],偽逆法能獲取可達集中13.7%的虛擬指令,即使最優的偽逆映射函數也僅能實現可達集的42.7%。

按照不同的使用側重點,可對各控制面分別賦權值,形成了加權偽逆法。對于控制效能較高的操縱面,可分階段選擇不同的權值系數以降低過早進入飽和狀態的概率,于是出現了變權值自適應廣義逆[10]。文獻[11]考慮操縱面位置和速率約束,基于LMI分別提出了線性變權值和非線性變權值控制分配方案。為了改善分配效率,出現了再分配偽逆方案。

3.1.3串接鏈分配法

串接鏈采用層級思想,利用下一級控制機構產生前一級因飽和未實現的控制指令,如圖3所示。

圖3 串接鏈控制分配方法流程圖

圖3中，Bi為第i組操縱面控制效率矩陣,滿足BiPi=I。但使得BiNiPi≠I,可能導致閉環回路性能惡化,引起操縱面振蕩。在對串接鏈的研究中,文獻[12]分析了作動器速率限制對串接鏈分配的影響。文獻[13]根據Lyapunov定理給出了閉環系統零動態漸近穩定的充分條件。張曙光等[14]結合動態逆研究了推力矢量飛機超機動飛行操縱指令的協調分配問題,驗證了串接鏈的有效性。

串接鏈方法工程易實現、分配方式靈活,在先進推力矢量戰斗機中具有重要的應用價值。

3.2 動態控制分配法

靜態控制分配方法以忽略執行器動態為前提,即執行器頻帶寬度遠高于剛體飛機頻帶寬度。實際上操縱面具有不同的動態特性,操縱效率與理想情況也不盡相同,忽略控制分配和執行器的動態鉸鏈將對控制系統性能產生嚴重的影響[15]。研究表明[16],考慮執行器動態過程可有效提高控制分配的精度,從而提升整個控制系統的性能。

3.2.1頻率加權法

針對操縱面動態性能差異,文獻[17]將操縱面的頻域性能引入優化目標,提出了一種穩定的混合優化動態控制分配器設計方法,采用合理的控制加權,利用鴨翼的動態特性抵消了座艙過載,減小了配平阻力。文獻[18]采用方向保持法對特定控制量進行頻率加權,提出了二次規劃優化動態控制分配方法。

3.2.2動態補償法

在執行器動態響應過程不可忽略的情況下,受執行器速率約束的限制,控制指令常低于且滯后于控制分配器產生的指令。為補償執行器動態特性造成的控制指令衰減和滯后。文獻[15]研究了三種典型執行器動態模型的控制指令補償問題。文獻[16]基于LMI求解最優動態補償策略,表明補償后的控制分配策略能夠抑制導彈控制系統的閉環不穩定。文獻[19]則利用所有執行器的冗余控制效能共同補償舵機的動態影響。

3.2.3動態預測法

模型預測作為處理控制約束和狀態約束的有效方法,能夠直接考慮執行器動態特性建立穩定的控制分配律。文獻[20]研究了再入飛行器的模型預測動態控制分配問題,將執行器理想化為一階線性動態模型,通過預測控制求解包含執行器動態的控制分配指令。文獻[21]分析了模型預測動態控制分配系統的穩定性問題,缺點是對執行機構動力學模型依賴程度較高[1]。文獻[22]提出了一種子空間預測控制分配方法,實現了B747飛機多組關鍵操縱面故障時的容錯控制。馬建軍等[1]針對動態控制分配的不確定性建模,結合子空間預測控制理論實現了ADMIRE無人機的魯棒動態控制分配。

3.3 非線性控制分配法

大多數工業控制系統都是控制量耦合的非線性系統,且執行器本身存在非線性動態,直接針對真實系統進行控制分配,具有重要的研究價值。

3.3.1分段線性規劃法

分段線性規劃方法假設執行器位置與生成的虛擬控制量之間具有分段線性關系。文獻[23]對操縱面控制效率曲線分段線性化,從而將非線性控制分配問題轉化為整數線性規劃。文獻[24]通過利用仿射函數逼近操縱面的非線性控制效能,實現了非線性控制分配。王鵬等[25]運用分段線性函數處理飛翼布局的非線性控制分配問題,提高了控制響應精度。

3.3.2非線性規劃法

非線性規劃方法中最常見的有二次規劃和多目標規劃。文獻[26]針對結構奇異導致非線性控制分配非凸的問題,將消除奇異引入優化控制目標提出一種序列二次規劃分配方法。文獻[27]利用高階多項式擬合氣動數據,提出了一種非線性規劃控制分配方案。文獻[28]綜合權衡多個控制目標提出了一種非線性規劃控制分配方案,給出了多目標非線性控制分配解的評價指標及方法,實現了不同飛行任務的多種目標優化。

3.3.3非線性自適應法

非線性自適應方法根據漸近最優和準最優控制條件,將優化問題轉化為最優集的收斂問題,設計穩定且最優的非線性控制分配律。文獻[29]根據拉格朗日定理設計了非線性最優控制分配方案,并進一步研究了包含執行器動態的自適應控制分配問題[30],可推廣至操縱面故障或損傷時的自動控制重構。文獻[31]提出了一種有限時間收斂的非線性控制分配方案,結合模型參考動態逆控制律證明了閉環控制系統的穩定性。

4 控制分配技術的工程應用現狀

4.1 航空航天領域

化學示蹤劑以無機鹽類、熒光染料類、鹵代烴類為主，主要用于研究儲層物性、油層連通性和注水對地層的影響。由于化學示蹤劑存在相對用量大、需要井口作業、成本高和環境污染等問題，所以該類示蹤劑呈淘汰趨勢。

控制分配技術在航空航天領域的應用涉及飛機、導彈、飛碟、再入飛行器、衛星、飛艇等。

在飛機控制方面的研究成果最多。2003年,NASA和美國空軍在B747和C-17上研究了運輸類飛機關于損傷自適應性的控制再分配策略,改善了飛行品質。Wright實驗室進行了F-16推力矢量飛機的全包線非線性仿真,驗證了偽逆法的有效性。文獻[32]在新型控制面技術驗證機LMICE上運用偽逆分配驗證了飛行控制系統的有效性。文獻[33]將控制分配技術用于無尾飛機縱向控制系統中。

在導彈控制方面也有少量應用案例。文獻[34]分別通過偽逆法和串接鏈來協調導彈的推力矢量和傳統控制面的偏轉。文獻[35]研究了帶尾翼和燃氣舵的導彈動態控制分配問題,驗證了約束和無約束控制分配方法均可實現導彈的最優控制。

航天方面,文獻[36]采用整數規劃來綜合分配氣動操縱面和反作用控制系統,并運用Lyapunov理論證明了高度控制系統的穩定性。文獻[37]研究了下一代再入飛行器的控制分配問題。文獻[38]將控制分配技術應用于飛艇的縱向和側向控制中。

4.2 其他工程領域

控制分配技術在航空航天領域的成功應用,引導其在艦船、機動車等工程領域得到了快速發展。

在機動車控制方面,控制分配技術根據橫擺角速度、側偏角與參考值的誤差,考慮執行器約束和機輪工作狀態將控制力矩分配到機動車各車輪。文獻[41]運用非線性自適應控制分配策略實現了電動車的穩定控制。文獻[42]基于加權偽逆和滑模控制實現了汽車的動態協調控制,提出了一種自適應加速收斂的定點控制分配方法。

5 存在問題和研究方向

盡管多操縱面控制分配技術在理論研究和工程應用方面已取得了諸多成果,但仍然存在許多待完善的地方,需要在發展多操縱面飛行器的過程中展開進一步的深入研究,主要包括:

(1)現代先進飛行器普遍包含多個操縱面,尤其是大型軍用運輸機和民用客機,操縱面甚至在30副以上。由于各種操縱面具有不同的物理屬性,對飛機三軸將產生不同的控制效能,不合理的控制賦權容易出現操縱面間效能抵消的現象,導致控制分配對可達集空間分配效率降低,直接影響控制性能。如何考慮執行器物理特性以確定控制權值是提高控制分配效能的重要研究方向。

(2)關于包含執行器動態特性的控制分配方法,目前國內外公開發表的文獻不多,絕大部分都是集中研究典型執行器精確模型的動態補償問題。實際上執行機構作為影響飛行控制系統可靠性和安全性的關鍵部件之一,大量參數存在非線性和不確定性,常規方法難以建立其精確的數學模型。當執行器出現損傷等意外故障時,模型的動態不確定性將更為突出。考慮不確定執行器物理特性設計動態控制分配器是當前重要研究方向之一,越來越得到研究人員的高度重視。

(3)與常規飛機不同的是,多操縱面飛機包含多組性能參數各異的約束控制面,其控制效能在擴展的飛行包線內隨高度、馬赫數等時變參數不斷變化,直接進行控制器設計必然增加參數調節的難度。針對多操縱面飛行器隨狀態參數攝動的線性參變數學模型,結合操縱面氣動特性設計大包線范圍內穩定的飛行控制律具有十分重要的現實意義。

(4)受外界環境和自身參數影響,飛行器模型不可避免地存在未建模動態,基于精確模型設計的飛行控制律和控制分配器將具有一定的保守性。結合魯棒控制理論設計閉環穩定的級聯飛行控制器,以抑制模型攝動的不利影響,是提高飛控系統控制性能的重要手段之一。

(5)隨著智能控制技術的發展,啟發式優化算法在飛行控制領域已得到了初步應用。如何將遺傳算法、蟻群算法、粒子群優化等新興方法融入到控制分配優化問題中,把智能控制與控制分配結合起來,是未來控制分配研究的另一個熱點。

(6)許多控制分配方案都需解決計算量大、設計復雜、閉環不穩定的問題,工程應用有待進一步開拓。需要指出,盡管目前已有若干工程應用成功的例子,但更多的方案仍停留在數值驗證階段。

6 結束語

多操縱面控制分配技術是當前先進飛行控制理論及應用研究方面的前沿課題,是面向冗余控制系統設計的一項重要的關鍵技術,在航空、航天和其它工業領域具有廣泛的應用前景。本文在分析典型多操縱面布局的基礎上,概述了近年來控制分配技術的發展現狀。當然,控制分配理論和應用的研究尚未成熟,還存在一系列尚待解決的問題,值得未來在發展多操縱面飛行器的過程中做進一步探索。

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(編輯：方春玲)

Developmentandapplicationofcontrolallocationformulti-effectorvehicle

CHEN Yong, DONG Xin-min, XUE Jian-ping, WANG Xiao-ping, LIU Qin

(Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

Control allocation is one of the key technologies in the control theory and application of the advanced multi-effector vehicle. Firstly, the typical effectors for multi-effector configuration are presented in this overview. Then, the latest research results of control allocation are discussed respectively from three aspects of static, dynamic and nonlinear control allocation., which mainly concentrate on the applications in the aeronautic, astronautic and other industries. Finally, several key issues in control allocation are summarized, and the future potential research directions are discussed.

flight control system; multi-effector configuration; control allocation; cascaded control structure

V249.1

A

1002-0853(2012)04-0289-06

2011-10-08;

2012-02-22

陳勇(1984-)，男，四川德陽人，博士研究生，研究方向為控制分配、故障診斷及控制重構。