無尾飛翼飛機(jī)多操縱面控制分配技術(shù)研究.pdf

1、無尾飛翼飛機(jī)通常采用翼身融合多操縱面氣動(dòng)布局，具有高升阻比、低雷達(dá)反射截面積，是未來戰(zhàn)斗機(jī)和其它飛行器的發(fā)展方向。多操縱面設(shè)計(jì)在很大程度上增加了飛行控制系統(tǒng)的控制冗余，提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性、安全性和可靠性。與傳統(tǒng)飛機(jī)相比，新型的多操縱面飛機(jī)具有氣動(dòng)特性復(fù)雜、操縱面冗余及氣動(dòng)耦合等特點(diǎn)，將導(dǎo)致控制系統(tǒng)自由度的增加，伺服機(jī)構(gòu)耦合等一系列新的飛行控制問題。因此，如何根據(jù)飛行員或者飛控計(jì)算機(jī)的指令將三軸力矩合理地分配到各個(gè)操縱面上去，以保證飛機(jī)在

2、飛行包線內(nèi)具有優(yōu)異的敏捷性和安全性，成為控制分配研究所要解決的關(guān)鍵問題。
　　本論文以作者自行設(shè)計(jì)的無尾飛翼多操縱面飛機(jī)(XQ-6B)為研究對(duì)象，針對(duì)無尾飛翼多操縱面飛機(jī)的氣動(dòng)特性及非線性數(shù)學(xué)建模、線性過驅(qū)動(dòng)控制分配方法、基于多操縱面控制分配的故障重構(gòu)、非線性控制分配方法、無尾飛翼飛機(jī)航向控制方法、多操縱面飛機(jī)飛行控制分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與品質(zhì)評(píng)價(jià)等7個(gè)方向的問題進(jìn)行了深入的探索和研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1)自行

3、設(shè)計(jì)了一套無尾飛翼多操縱面無人機(jī)系統(tǒng)，利用CFD方法對(duì)該飛機(jī)平臺(tái)的基本氣動(dòng)特性、舵面獨(dú)立偏轉(zhuǎn)的操縱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了飛行包線內(nèi)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，并基于此數(shù)據(jù)建立了該飛機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型；
　　2)對(duì)典型的廣義逆分配方法、幾何類分配方法及數(shù)學(xué)規(guī)劃方法進(jìn)行了詳細(xì)討論及研究，提出了一種基于 SQP的包絡(luò)體坐標(biāo)變換控制分配方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩可達(dá)集的完全分配，充分發(fā)揮多操縱面對(duì)無尾飛翼飛機(jī)三軸的操縱能力；
　　3)利用控制分

4、配方法對(duì)無尾飛翼多操縱面飛機(jī)的故障重構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以偽逆法、基于不動(dòng)點(diǎn)迭代的二次規(guī)劃、基于 SQP的包絡(luò)體坐標(biāo)變換分配方法為例對(duì)舵面松浮、卡死及損失三種典型故障下的重構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于控制分配的故障重構(gòu)系統(tǒng)可以彌補(bǔ)飛行控制律對(duì)舵面故障處理的不足，保證飛控系統(tǒng)在舵面故障時(shí)的控制性能，提高飛機(jī)的安全性和可靠性；
　　4)對(duì)飛機(jī)在低速飛行或較大迎角機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)下操縱面的舵效隨舵偏角變化呈現(xiàn)出的單調(diào)非線性、非單調(diào)

5、非線性及耦合非線性特性進(jìn)行了詳細(xì)討論，分別給出了相應(yīng)的解決方法以提高分配求解的精度。為了處理同時(shí)存在這三種非線性特性的控制分配問題，本文提出了一種基于舵面位置反饋的非線性控制分配方法，并對(duì)該方法的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行了理論推導(dǎo)和證明。仿真結(jié)果表明，該方法可以有效地解決非線性控制分配問題，且具有一定的通用性；
　　5)無尾飛翼飛機(jī)在低速飛行或者以較大迎角機(jī)動(dòng)飛行階段，開裂式阻力方向舵的舵效會(huì)出現(xiàn)“死區(qū)”和“操縱反效”現(xiàn)象，影響飛行安

6、全。本文對(duì)SDR單側(cè)控制、預(yù)偏差動(dòng)組合控制方式的舵效特性進(jìn)行了詳細(xì)討論，提出了一種基于迎角反饋的SDR預(yù)偏差動(dòng)控制方法，并對(duì)基于加權(quán)偽逆法的飛行控制分配系統(tǒng)進(jìn)行了非線性仿真和試飛驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法可以解決無尾飛翼飛機(jī)在低速飛行時(shí)的航向控制難題，可實(shí)現(xiàn)性好，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值；
　　6)利用偽逆法、加權(quán)偽逆法、不動(dòng)點(diǎn)迭代方法和SQP-CT控制分配方法設(shè)計(jì)了XQ-6B飛機(jī)在SDR對(duì)稱、非對(duì)稱偏轉(zhuǎn)控制方式時(shí)的多操縱面控制分配系統(tǒng)