一種進場著陸階段的模型跟蹤控制律設計

張喆, 祁圣君, 王鋒

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

一種進場著陸階段的模型跟蹤控制律設計

張喆, 祁圣君, 王鋒

(中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089)

為進行進場著陸階段飛機俯仰角速度、航跡、迎角等參數的空中飛行模擬,根據模型相似準則,以經典控制原理進行升降舵控制、直接升力控制和自動油門控制的縱向模型跟蹤控制律設計,并在Simlink環境下進行數值仿真。仿真結果表明,所設計的控制律可以滿足跟蹤模擬的要求。

變穩飛機; 空中飛行模擬; 經典控制理論; 模型跟蹤

0 引言

對于電傳飛機飛控系統控制律設計而言,進場著陸控制律設計是最具挑戰性的任務[1-2]。國外電傳飛機試飛中,著陸過程發生過多次由飛控系統引起的事故,如JA-S39和YF-22在著陸過程中,由于控制律設計缺陷發生墜機事故;因此國外極其重視起降階段控制律的空中飛行模擬研究。JAS-39墜機事件后,Calspan公司利用NT-33和LEARJET變穩飛機驗證其控制律并進行改進,完善了該機的控制律設計。“九五”期間,我國利用K-8飛機為原型機建成了IFSTA變穩飛機進行控制律驗證試驗[3]。該機為三軸變穩飛機,其控制操縱面包括副翼、方向舵、升降舵,利用該機可以模擬模型對象繞三軸的角運動。但由于缺少縱向和法向力控制,該機無法實現航跡等特性的模擬,而這些對于一些特殊的進場任務模擬來說是非常必要的[4]。

本文根據線性模型跟蹤的理論和設計思想,采用文獻[5]提出的同時具備自動油門控制、直接升力控制和升降舵控制的縱向動力學模型,進行綜合模型跟蹤控制律設計。

1 模型跟蹤控制律設計

1.1 動力學模型

采用TIFS飛機縱向動力學模型[2]作為平臺進行控制律設計,其狀態空間形式為:

(1)

其中:

x=[ΔVΔαΔqΔθ]T

u=[δeδLδT]T

式中,δe為升降舵;δL為直接升力舵面;δT為自動油門位置;C為選擇輸出矩陣。

模型對象選擇某型當代典型的電傳飛機,選取的模擬狀態點為H=1 000 m,Ma=0.3。首先進行內回路設計,然后將模型對象進行等效擬配,得到的模態參數即可作為內回路期望配置的特征結構進行設計[6-7]。

1.2 模型對象的等效擬配

現代電傳飛機的飛控系統是一個復雜的高階系統,通常將縱向或橫向的高階飛機等效為具有特定形式的低階等效飛機,然后再利用低階等效系統按照軍用規范進行飛行品質評估。

目標模型縱向等效擬配的等效二階模型為:

(2)

從式(2)可以看出,該模型的增益為-0.6695，1/Tθ2為1/1.0805 s,時間延遲項為0.0346s,阻尼比為0.6887,短周期頻率為1.9002 rad/s。

1.3 內回路參數設計

內回路設計的目的是匹配模型的短周期頻率ωsp,阻尼比ζsp,ny/α以及長周期頻率ωp。由迎角和俯仰角速度到升降舵的反饋匹配模型對象的頻率和阻尼比;由迎角到直接升力面的反饋匹配ny/α;由速度到油門桿的反饋匹配長周期頻率。由迎角至升降舵的反饋KαLz改變短周期頻率;由俯仰角速度至升降舵反饋Kqzc改變短周期阻尼比;由駕駛桿指令增益KFz調整短周期響應幅值大小。內回路原理框圖如圖1所示。

圖1 內回路原理框圖Fig.1 Principle frame of inner loop

增益參數計算時,采用系數對比法可確定KFz=0.0940,Kqzc=-0.1391,KαLz=-0.0195。將此組增益代入Simlink中進行仿真計算,并對參數進行微調,最終確立的補償回路參數為:KFz=0.0940,Kqzc=-0.18,KαLz=-0.1。

長周期傳遞函數頻率和阻尼比可表達為:

1.4 跟蹤回路設計

外回路跟蹤環設計是在內回路參數已確定的條件下,根據系統的跟蹤精度和跟蹤性能而進行參數設計。當僅引入模型與原型機狀態誤差進行反饋時,在階躍輸入下會引起穩態誤差,所以此時引入積分項消除穩態誤差。對于理想的跟蹤環,希望系統呈現出高頻大阻尼的特性,必要時可引入微分項,從而使跟蹤回路構成PID跟蹤環。通過加入跟蹤環,可以取得理想的跟蹤效果。原型飛機與模型飛機的縱向短周期特性如表1所示。

表1 縱向短周期特性Table 1 Longitudinal short period characteristic

2 仿真結果及分析

本文的控制律仿真試驗在飛行仿真室的通用變穩地面試驗臺上進行,該地面試驗仿真平臺主要包括:座艙操縱系統、視景系統、計算機/網路系統和控制臺系統。試驗任務為進場著陸模擬,在場高100 m時,進行糾偏著陸,對準另一條跑道完成進場。仿真結果如圖2所示,圖中給出了在下降過程中進行糾偏時的跟蹤效果,其中迎角為基于平衡狀態的迎角增量。由于此過程中速度變化僅為5 km/h,所以圖中未顯示速度的跟蹤效果。

從仿真結果可以看出,該控制律具有良好的跟蹤效果,跟蹤誤差在5%以內。同時,利用經典控制理論設計的橫航向控制律也滿足跟蹤要求。

圖2 跟蹤效果圖Fig.2 Tracking effect

3 結束語

本文采用經典控制理論、基于線性小擾動模型設計了進場著陸段的模型跟蹤控制律,通過仿真試驗驗證了該控制律具有良好的跟蹤效果。對于多自由度的空中飛行模擬任務,通過對控制律的精心設計,可以在滿足跟蹤精度的同時,使系統具有良好的閉環穩定性。該工作為下階段建設五自由度變穩飛機提供了一套有效的設計方法。

[1] 周自全,張子彥.飛行品質和飛行安全[J].飛行力學,2009,27(2):1-6.

[2] 周自全,趙永杰.空中飛行模擬與電傳飛機飛行試驗[J].飛行力學,2005,23(2):19-22

[3] 劉興堂,呂杰,周自全.空中飛行模擬器[M].北京:航空工業出版社,2003:185-186.

[4] 湯連剛,李存寶.變穩飛機和飛行品質試飛的體會和評述[J].飛行力學,1989,7(4):87-91.

[5] Nield IV G C.A model-following technique for insensitive aircraft control systems[R].ADA-106742,1963.

[6] Motyka P R.The theory and flight verification of the model-following control system for the air force total in-flight simulator[R].AIAA-71-961,1971.

[7] Motyka P R.A classical approach to the design of model-following control systems[R].AIAA-74-0913,1974.

[8] 徐鑫福,馮亞昌.飛機飛行操縱系統[M].北京:北京航空航天大學出版社,1989:99-100.

Designofmodel-followingcontrollawforapproachandlanding

ZHANG Zhe, QI Sheng-jun, WANG Feng

(Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China)

In-flight simulation in the stage of approach and landing focuses on the simulation of some important parameters, such as angle of attack, flight-path angle, pitch rate and so on. According to the similarity criterion, longitudinal control law includes the control of elevator, direct lift and automatic throttle. This paper describes the design of model-following control law in terms of classical control theory. Digital simulation results by Simlink show that the control law could meet the requirements of model-following, which is a feasible attempt for control law design of variable stability aircraft.

variable stability aircraft; in-flight simulation; classical control theory; model-following

V212.1; V249.1

A

1002-0853(2013)05-0447-03

2012-12-27;

2013-06-04; < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間:2013-08-21 16:15

張喆(1985-)，男，陜西扶風人，助理工程師，碩士研究生，主要從事飛行力學、飛行控制等方面研究。

(編輯：李怡)