民用飛機縱向氣動參數(shù)辨識研究

摘 要：飛機氣動參數(shù)辨識是利用飛機在飛行試驗過程中測得的狀態(tài)響應數(shù)據(jù)對飛機的氣動參數(shù)進行辨識的技術。設計了縱向氣動參數(shù)辨識的激勵信號，建立了非線性辨識模型。基于極大似然法對飛行試驗數(shù)據(jù)進行辨識研究，得到縱向氣動參數(shù)。對比飛行試驗和辨識結果仿真的時間歷程，表明辨識結果準確。

關鍵詞：參數(shù)辨識 縱向氣動參數(shù) 民用飛機

中圖分類號：V212.1文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0061-02

基于飛行試驗數(shù)據(jù)的氣動參數(shù)辨識技術與計算流體力學、飛機縮比模型的風洞試驗成為建立飛機氣動模型的三種主要方法[1]。隨著系統(tǒng)辨識學科的形成和在飛行試驗數(shù)據(jù)分析中的應用，使民機氣動參數(shù)辨識研究飛速發(fā)展，被應用于驗證和校正氣動參數(shù)風洞實驗和理論計算結果、為民機控制系統(tǒng)設計和改進提供基本依據(jù)、鑒定飛機的飛行品質、對失事飛行器事故進行分析等[2]。

飛機氣動參數(shù)辨識是利用飛機在飛行試驗過程中測得的狀態(tài)響應數(shù)據(jù)對飛機的氣動參數(shù)進行辨識，從而建立飛機本體的飛行動力學模型。為了研究方便，一般將飛機的運動按縱向和橫航向分開。在飛機的縱向氣動參數(shù)辨識中，國內外利用小擾動線性辨識模型進行了大量的研究和工程應用[3～5]，但基于非線性辨識模型的參數(shù)辨識卻鮮有研究。本文結合飛行試驗和工程應用的特點，建立了縱向氣動參數(shù)非線性辨識模型，并采用極大似然法在時域內辨識參數(shù)。飛機縱向氣動參數(shù)辨識研究包括激勵信號設計（飛行操縱）、辨識模型推導、辨識方法和辨識結果檢驗四部分內容。

1 激勵信號設計

在縱向氣動參數(shù)辨識試飛中，典型的飛機升降舵操縱信號如圖1所示。在飛行試驗設計階段要求的升降舵操縱為倍脈沖信號，但考慮到飛行員人工操縱的實際規(guī)律，該信號可按正弦波狀來實施。對于不同的飛機，還需要根據(jù)飛機縱向運動模態(tài)的相關頻率參數(shù)來設計升降舵舵偏的幅值和頻率。

2 縱向氣動參數(shù)非線性辨識模型

飛機縱向非線性辨識模型包括飛機的縱向氣動模型、狀態(tài)方程和觀測方程。

2.1 縱向氣動模型

3 辨識方法

目前常用的氣動參數(shù)辨識方法有最小二乘法和極大似然法。對于在時域內的參數(shù)辨識，極大似然法更加適合。在具體辨識過程中，采用飛機的風洞數(shù)據(jù)作為待辨識參數(shù)的初始值，可以提高辨識結果的精度。

在飛機氣動參數(shù)辨識中，似然函數(shù)即為在給定待辨識參數(shù)條件下出現(xiàn)某一運動狀態(tài)（在某一激勵信號下）的條件概率密度函數(shù)。如果該密度函數(shù)為極大值，表示給定的待辨識參數(shù)使得飛機最有可能出現(xiàn)此運動狀態(tài)，從概率論的角度來說，給定的待辨識參數(shù)即為極大似然解。極大似然法的算法步驟如圖2所示。

4 縱向氣動參數(shù)辨識結果與檢驗

飛行試驗中，在需要的高度和速度下配平飛機，飛行員按照圖1的規(guī)律來操縱升降舵，激勵飛機進入縱向模態(tài)運動。記錄下飛行迎角、俯仰角速率和俯仰角的時間歷程，按極大似然法進行辨識以得到縱向的氣動參數(shù)；再以辨識的氣動參數(shù)為基礎，建立飛機動力學和運動學模型，進行數(shù)學仿真；對比飛行試驗和數(shù)學仿真的結果，來判斷辨識的準確度。

某民用客機在飛行試驗和辨識結果仿真數(shù)據(jù)的對比如圖3所示。

由圖3可知，從時域數(shù)據(jù)判斷，上述辨識結果與飛行試驗數(shù)據(jù)接近，表明縱向氣動參數(shù)的辨識結果準確。

5 結語

按照本文建立的縱向氣動參數(shù)非線性辨識模型和辨識方法，可以得到民用飛機的縱向氣動參數(shù)。對比飛行試驗和辨識結果數(shù)學仿真的時間歷程，表明辨識結果準確有效。該辨識結果可用于鑒定民機的飛行品質，并依此建立民機的工程飛行模擬器。

參考文獻

[1]關世義.談談飛行力學的三大研究手段[J].現(xiàn)代防御技術，2002（8）：12-18.

[2]王樹桂.系統(tǒng)辨識及航行器參數(shù)辨識進展[J].昆明工學院學報，1999（12）：8-13.

[3]張鴻元.系統(tǒng)辨識在航空領域的應用及思考[C]//機載、航電專題：中國航空學會2007年學術年會.2007.

[4]竇立謙，吉月輝.基于極大似然方法的高超聲速飛行器參數(shù)辨識[C]//第31屆中國控制會議.2012.

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