基于最优分配的复合式高速无人直升机纵向控制设计与验证

高速直升机因其独特构型造成过渡段操纵复杂,控制系统设计难度大。本文针对复合式共轴双旋翼高速无人直升机,设计了全飞行模式控制,为高速直升机的安全飞行提供理论基础。采取分块建模思路,搭建了无人直升机数学模型,设计了过渡模式的操纵策略。采用经典控制理论设计了低速模式和高速模式纵向飞行控制律,低速模式时,为提高位置响应的快速性,直接采用并行控制结构,将位置指令引入姿态通道;高速模式时,在俯仰通道引入航迹倾斜角补偿损失高度。针对过渡段的控制分配问题,分别考虑速度和操纵面反应速度快慢的影响,设计分配权值,采用加权伪逆法进行最优分配求解。仿真结果表明,所设计的纵向飞行控制律可以有效合理分配过渡段的不同操纵量,实现平滑过渡飞行。

基于IMM-UKF方法的机电作动器突发性故障诊断研究

飞机飞行控制系统机电作动器(electromechanical actuator,EMA)的突发性故障会影响到飞机的飞行安全性,甚至导致飞机失控.针对EMA的突发性故障,提出一种基于交互式多模型(interactive multiple model,IMM)和无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)相结合的故障诊断方法.该方法利用UKF不仅能更好地逼近状态方程的非线性特性,而且能使滤波器具有更好的稳定性和更低的计算量要求;利用IMM不仅解决了可测量参数偏少导致的故障诊断困难的问题,而且还改善了发生的故障与预先假设的故障差异较大的情况下故障诊断的快速性和准确性.通过对某型EMA进行故障诊断,仿真结果表明所提出的IMM-UKF故障诊断方法可以实现对EMA部件和传感器故障的快速准确诊断.

基于DWNN的机电作动器渐变性故障诊断

飞机飞行控制系统机电作动器(EMA)的渐变性故障很难准确预判,若不能及早发现而任其发展就会影响到飞机的飞行安全性。针对EMA的渐变性故障,提出一种基于动态小波神经网络(DWNN)的故障诊断方法。首先,利用EMA在电机电枢绕组匝间短路、传动装置丝杆和滚珠磨损等多种渐变性故障状态下的运行数据来训练DWNN故障诊断模型;然后,利用训练好的DWNN模型对EMA渐变性故障进行诊断。创新之处在于DWNN模型利用小波分解算法去除了传感器测量信号中高频分量的影响,利用反馈神经网络的记忆能力融合了过去输入的信息和过去预测的信息,提高了对EMA渐变性故障诊断的准确性。通过对某型EMA进行故障诊断实验,仿真结果表明所提出的DWNN方法可以实现对EMA部件渐变性故障的准确诊断。

基于代数模型的机电作动器Vague动态故障树分析

结合Vague集理论和动态故障树分析方法,提出一种基于代数模型求解的Vague动态故障树的机电作动器可靠性分析方法。定义了动态故障树的时间算子,给出了动态逻辑门的代数模型,推导了运算律的证明;为了规范动态故障树顶事件的结构函数,给出了最小割序集的规范化算法。底事件使用三角形Vague集可靠性数据充分考虑底事件概率水平的不确定性;用代数模型对动态故障树进行建模,具有通用性,考虑了故障发生的时序性更符合机电作动器的原理。将代数模型表达分解为静态和动态两部分分别进行分析,降低了计算量。分析结果表明了该方法可以有效地对机电作动器进行可靠性分析,为故障定位提供思路,更具灵活性。

基于Lattice的高脉冲重复频率雷达解距离模糊算法

在高脉冲重复频率多普勒雷达的工程应用中,存在着无法避免的距离模糊问题。提出了一种基于Lattice的解距离模糊新算法。首先给出了距离模糊问题的数学模型,将距离模糊问题转化为Lattice中求解最近点的问题;然后证明了模型满足Babai算法的使用条件,提高求解效率;接着针对脉冲重复周期提出了扩倍的处理方案,放宽了算法对于雷达参数的要求;最后结合Lattice中Voronoi单元的基本性质提出了噪声补偿方案,根据模糊量测的整数部分和小数部分补偿出真实的量测整数部分的组合,使算法具有工程可行性。实验仿真表明,该算法可以同时满足时间效率和求解精度的要求。

基于速度观测的双余度电液舵机系统容错同步控制

考虑飞机电液舵机活塞杆运动速度不易测量的情况,提出一种基于速度观测的容错同步控制策略,解决了双余度电液舵机系统(DREHAS)内泄漏共模故障(IL-CMF)下的位置跟踪控制问题。首先,通过引入2组参考轨迹并对模型进行线性变换,实现舵面位置跟踪与两舵机力输出同步控制解耦;其次,在扩展状态观测器(ESO)中加入故障参数自适应项,设计一种自适应扩展状态观测器(AESO)估计两通道舵机活塞杆速度和扰动,从而克服了故障条件下利用原系统模型设计ESO带来的估计结果不准确问题;最后,基于AESO的估计结果及故障参数在线更新结果,利用反步法设计了一种非线性容错同步控制器。Lyapunov稳定性分析结果表明,该控制方法可确保IL-CMF故障及时变干扰条件下,闭环系统所有信号有界,系统输出满足规定的性能要求。IL-CMF故障及常值干扰条件下,系统跟踪误差渐进收敛于零。仿真实验进一步验证了所提方法的有效性。

倾转旋翼机非线性建模及验证

关于飞机旋翼动特性建模的研究,针对XV-15倾转旋翼飞行器具有直升机、过渡和固定翼三种工作模态,建模复杂的问题,提出了一种分块建模的方法,使得建模过程更加灵活和简化。机体建模部分,考虑旋翼尾流对机翼、垂直尾翼和水平尾翼造成的滑流干扰以及短舱倾转对飞机转动惯量、惯性积和重心造成的影响,大大提高了所建模型的精确度;旋翼建模部分,对旋翼参数进行无因次化后,利用叶素法进行气动力建模。最后,为验证模型的正确性和有效性,在不同飞行速度下对所建模型进行配平,并将配平的结果与倾转旋翼通用模型做对比。结果表明所建模型能很好的反映倾转旋翼机的飞行特性,为飞行优化控制律研究提供很好的模型基础。

基于数据流聚类的多目标跟踪算法

针对传统多目标跟踪算法在航迹初始阶段易受杂波干扰,提出一种交互多模型核预估数据流聚类的多目标跟踪算法(CE_DMTT)。对数据流进行在线聚类,并运用交互式多模型预估类核位置,缩小聚类搜索范围,同时引入Renyi熵,对聚类进行自适应提取,获取潜在航迹。然后基于潜在航迹运用多假设跟踪算法实现实时跟踪。仿真结果表明,该算法有效减少计算复杂度,提高系统实时性。

基于ML背景参数估计的CDKF-CPHD多目标跟踪算法

针对低信杂比环境下的多机动目标跟踪问题,提出了一种基于极大似然(ML)背景参数估计的中心差分卡尔曼-势概率假设密度滤波(BE-CDKF-CPHD)算法。算法采用ML法实时估计重尾分布模型参数,计算检测概率和虚警概率。运用极大似然-恒虚警(MLCFAR)算法对信号进行处理,提取有效量测值,将幅值似然函数与势概率假设密度滤波器(CPHD)中的目标位置似然函数相结合,通过中心差分法递归更新得到后验均值与协方差,达到对多机动目标进行跟踪的目的。仿真结果表明,在低信杂比环境中,所提算法提高了跟踪精度与目标数目估计准确度。

基于CV-ELM方法的机电作动器故障预测研究

为提高机电作动器的可维护性,提出了一种基于交叉验证-极限学习机(CV-ELM)的机电作动器故障预测方法。首先通过分析机电作动器模型,确定了轴承寿命是影响机动作动器寿命的重要因素。其次,针对传统ELM方法中参数随机选择导致的精度不高的问题,将交叉验证方法与ELM结合,并证明了改进ELM方法的有效性,给出了基于CV-ELM方法的故障预测流程;最后,基于轴承全寿命试验数据,通过与反向传播神经网络(BPNN)方法和支持向量回归(SVR)方法的对比仿真,验证了本文所提方法的快速性和有效性,为机电作动器的维护提供了数据参考和技术支撑。

基于舵面位置反馈的实用非线性控制分配方法

针对飞机在自主起降、大迎角飞行时力矩系数与舵面偏角之间的非线性和耦合性问题,以无尾飞翼飞机(TFWA)为对象,提出了一种实用新型的基于舵面位置反馈的非线性控制分配方法。该方法通过舵面位置反馈,在期望三轴力矩系数中除去前一拍舵面偏角产生的非线性三轴力矩系数,从而将非线性控制分配问题转化为线性控制分配问题来求解。证明了该方法具有一致渐近稳定性,且其稳态误差为0,并分析了该方法的可行性。通过与序列线性规划、序列二次规划和遗传算法等非线性控制分配方法进行数字仿真对比,突显了该方法精度高、解算快的特点;同时对该方法进行了基于伪逆法、不动点迭代方法和相邻面搜索方法的数字仿真,说明了其处理非线性控制分配问题的有效性。以TFWA、F18等为对象,在x PC-DSP半物理仿真平台上验证了该方法具有通用性强、实时性好的优点。

超机动飞机边界保护控制器设计

针对超机动飞机过失速机动的飞行安全问题,提出了一种飞行边界保护控制方法。首先采用动态逆控制方法解决了超机动飞机模型中的非线性和耦合性问题,然后通过求解超机动飞机的动态配平点的可达集,来确定飞机在任意飞行状态下的安全飞行边界,最后将所获得的动态边界集成到动态逆控制器中来约束飞机的机动范围,以降低超机动飞机完成过失速机动时的失控风险。仿真结果表明,所设计的飞行边界保护控制器能够改善超机动飞机过失速机动飞行时的指令跟踪效果,更好地完成Cobra等过失速机动动作,提高了飞行的安全性。