飞机超机动状态动力学特征及对控制系统的挑战

超机动能力作为第四代战斗机的重要标志性特征,在近距空战中具有极其重要的作用.针对非线性非定常气动效应、强耦合和操纵器异构冗余等超机动状态飞机的基本动力学特征,分析了其非线性气动力/力矩、非定常迟滞效应、参数快时变、惯性耦合和推力矢量等因素给控制系统带来的挑战,总结了超机动飞机的非线性非定常气动力建模、飞行控制和控制分配的研究现状,给出了一种基于非线性补偿和气动力模型数据库的鲁棒解耦控制策略,为超机动飞行控制方法的工程应用提供了参考.

超机动飞机非线性建模仿真与操纵特性分析

研究建立较为准确的超机动飞机非线性模型,对新型战斗机的研发具有重要意义。在分析超机动飞机非线性特性的基础上,建立了带推力矢量的超机动飞机非线性动态模型,着重分析了气动力、气动力矩以及发动机的建模过程。为改善系统的动态特性,采用动态逆结合PID的方法设计了超机动飞机在大迎角机动下的控制律,并进行了"眼睛蛇"机动仿真。根据"眼镜蛇"机动的仿真结果,分析了超机动飞机在大迎角飞行时操纵特性,证明了所建立模型的合理性与有效性。

超机动飞机飞行控制及大迎角飞行品质研究

超机动飞机行控制和大迎角飞行品质研究,对于强调超机动能力的第四代战斗机的飞行控制律设计、验证和试飞评定有着直要意义。以鸭式布局飞机为研究对象,应用推力矢量技术,结合奇异摄动原理和逆系统理论,设计了基于非线性动态逆理论的超机动飞行控制律。从过失速状态飞机空气动力的非线性和非定常迟滞效应、大气紊流等方面初步验证了控制律的鲁棒性,并通过目标截获和跟踪任务的模拟,利用库珀—哈珀评定准则,对飞机的大迎角飞行品质进行了简要地分析。研究结果表明:设计的控制作对滞环和大气紊流的影响有较好的鲁棒性;飞机具有良好的大迎角截获和跟踪能力。研究结果可为超机动控制律设计与试飞验证提供一定的理论方法参考。

推力矢量飞机控制系统设计与仿真研究

针对某型推力矢量飞机提出了一套控制方案,较好地将理论与工程实践结合起来,解决了飞机在全包线范围内的飞行控制问题。该控制方案包括常规机动控制器、大迎角超机动控制器、控制分配器及轨迹跟踪控制器等几个主要环节的设计,完成的控制系统满足全包线飞行品质的要求,可实现对大机动轨迹的精确跟踪。最后,对此综合控制系统进行数字仿真并给出部分仿真结果,结果表明所提出的飞行控制系统设计方案是成功的。

超机动性技术及其战术优势探讨

随着对新型战机机动性要求的提高及飞机在大迎角下过失速状态的深入研究,提出了新型战机的超机动性技术。首先对超机动性的技术内涵、判断准则做简要介绍,然后对现代近距空战中,战机采用超机动性技术可能取得的战术优势及可能存在的一些问题进行了分析探讨。

超机动飞行快回路的自适应模糊滑模控制

针对超机动飞行快回路的不确定非线性模型,提出了一种利用自适应模糊滑模控制器算法。在所得的最终控制信号中,采用模糊逻辑系统来逼近未知系统函数和开关项;所设计的鲁棒自适应律用来减小逼近误差,从而有效降低抖振。仿真结果表明,所设计的控制律能在过失速机动条件下控制飞机跟踪指令飞行,确保系统具有良好的动态和稳态性能,而且控制器具有很强的鲁棒性。

采用TLC方法的超机动飞行控制系统设计

基于轨迹线性化控制(Trajectory linearization control,TLC)方法,研究了超机动飞机飞行控制系统的设计问题。首先简要介绍了TLC方法的设计思想;然后根据奇异摄动理论,将超机动飞行控制系统分成快慢两个回路,并为其分别设计了轨迹线性化控制器;最后分别用所设计的控制器和已有的动态逆控制器对某型歼击机进行了赫布斯特机动仿真。仿真结果和对比分析表明,所设计的TLC控制器是有效的,且比动态逆控制器具有更好的控制跟踪性能。

基于滑模干扰观测器的歼击机超机动飞行控制

针对非线性系统存在建模误差和外界干扰等不确定因素问题,提出一种基于滑模干扰观测器在线补偿的非线性动态逆控制方法。通过设计滑模干扰观测器,对不确定因素进行估计,将滑模干扰观测器的输出用以设计新的补偿控制律,与动态逆方法相结合来消除不确定因素的影响。以Herbst机动过程为例进行飞行仿真,并与单纯采用非线性动态逆方法的控制性能进行对比。仿真表明,系统能较好地跟踪姿态角指令,有良好的鲁棒性。

滑模观测器和比例积分的超机动动态逆控制

研究了一种基于Super-twisting算法的滑模观测器和比例积分的超机动飞机动态逆控制方法。首先分析考虑推力矢量下的超机动飞机非线性特性,建立飞机非线性仿真平台;然后在快回路中针对飞行环境下外部直接干扰力矩,采用Super-twisting算法的滑模观测器估计干扰力矩,设计补偿控制律进行干扰抑制;慢回路中采用经典的比例积分控制弥补由非线性对消引起的系统逆误差;最后对设计的控制律进行大迎角下的"眼镜蛇"机动。仿真结果表明,设计的控制律使超机动飞机具有良好的快速性和稳定性。

基于非线性干扰观测器的超机动飞行轨迹线性化控制

针对非线性系统存在建模误差和外界干扰等不确定因素问题,提出一种基于非线性干扰观测器(Nonlinear Disturbance Observer,NDO)在线补偿的轨迹线性化控制(Trajectory Linearization Control,TLC)方法。设计非线性干扰观测器,对不确定因素进行估计,NDO的输出用以设计新的补偿控制律,与TLC方法相结合来消除不确定因素的影响。以赫布斯特机动过程为例进行飞行仿真,并与单纯采用TLC方法的控制性能进行对比。仿真表明,系统能较好地跟踪姿态角指令,有良好的鲁棒性。

过失速大机动飞机的飞行控制律设计

对新一代带推力矢量的战斗机在大迎角过失速机动下的飞行控制律进行设计,并进行了机动指令飞行仿真。引进推力矢量技术,建立带推力矢量的飞机模型方程;采用奇异摄动理论,将控制回路分为两个快慢(内外)回路,对每个回路分别用动态逆方法进行飞行控制律设计;并采用结构奇异值μ综合和分析的方法对快(内)回路设计了鲁棒控制器;最后所设计的控制律进行了机动指令飞行仿真,仿真结果表明设计的过失速机动控制律良好。

从航空发动机视角看飞/发一体化问题

从航空发动机视角对现役民用航空发动机、军用第3、4代航空发动机、在研高超声速飞行器组合动力装置、变循环发动机及智能发动机等设计中的飞/发一体化关键技术进行分析,总结了现役发动机进/排/发一体化设计、飞/发隐身一体化设计、第4代发动机飞机引气与轴功率提取的发动机一体化管控、高超声速飞行器进/排/发一体化设计、变循环发动机及智能发动机飞/发一体调控等关键技术研究情况,以期为推动航空发动机在飞/发一体化技术领域的快速发展提供有益参考。

新一代战斗机非定常流动数值研究综述

新一代战斗机强调超机动能力和强隐身性,其中大攻角下的静态失速、动态失速及内埋弹仓绕流是与高机动和强隐身密切相关的、极具挑战的几类典型的非定常流动,它们对数值方法提出了极高的要求。为了高精度地仿真流场、清楚地揭示流动机理,有效地控制非定常流动,非常有必要发展高精度且高效率的RANS-LES混合方法体系,包含RANS-LES混合方法本身、与RANS-LES混合方法匹配的高精度自适应耗散格式、基准湍流模式、高质量计算网格、高精度时间推进方法、非定常量的统计方法等,具有极强的紧迫性。提出、发展、验证并应用该类方法数值仿真新一代战斗机(包括单独部件、组合体、甚至全机)的非定常流动,数值预测结果与风洞实验数据吻合良好;此类方法可为新型战斗机设计提供理论依据和分析手段。