一种飞机大包线控制律增益调参方法

KE J,i WANG W e,i L I A -i jun, WANG Chang-qing ( Co llege of Au tom ation, Northw estern Po lytechn ica lU niversity, X i. an 710029, China) Abstract: In this paper, the core algorithm of a to tal energy contro l system ( TECS) is applied to the contro l o f latera l d irect iona l ax is of a ircraf,t ut ilizing the comb ination of b ias control and total energy decoupling con tro.l Rol-l ing m ode and yaw ing m ode are decoup led, and the contro l system w ith zero steady- state erro r is estab lished. T he sim ulation stud ies dem onstrate that the princ ip le of TECS in th is paper is feasible for the latera l ax is contro .l K ey w ord s: latera-l d irectional con tro l o f aircraf;t total energy control ( TEC ); decoup ling contro l
动压从小到大的顺序对其他飞行状态进行调参, 这
些状态的参数范围就根据已有调参规律和参数范围
进行设定。如 状态 Si 处于 Ss2和 Ss3之间, 则状态 Si
的
K
1
范围为
K
Si 1
I
[
K
S
s 3
1
KS
s 2
1
]。
如果 KS1Qm ax > K , S1Qm in 则表明 K 1 在整个范围内是
随动压单调上升的。那么当调第二个状态 Ss2时, 将
择方法和按动压调参的控制器参数范围设置方法, 按本方法所选择的工作点在包线范围 内分布均匀, 控制器参数 随动
压单调变化, 便于拟合。为证明本方法的有效性, 以某型运输机为例, 对纵向控制增稳系统中的参数 进行了调参 规律
拟合。仿真结果表明, 所得控制律在整个包线范围内都具有良好的动态响应。
关 键 词: 增益调参; 飞行控 制系统; 大包线
1 基于动压的工作点选择方法
一般期望所获得的控制律参数的增益调参规律
随动压 (或高度和马赫数 )单调变化, 而在根据上述 方法对控制律参数进行优化时, 有可能得到的控制
器参数是忽大忽小, 随机变化的, 用这样的参数不可
能得到单调变化的规律。所以要得到符合工程实际
要求的增益调参规律, 必须在设定待定参数范围时
范围设置成
K
S 1
s 2
I
[ KSQ 1
m
in
K SQ 1
m
ax
],
这样获得的结果
必然有
K
SQ 1
m
in
[
KS
s 2
1
[
K , S1Qm ax 也遵从 随动压单调上升
的规律。再调第 三个状态 Ss3, 考 虑 Ss2和 SQm in 的结
果
,
参
数范
围设定
为
K
S
s 3
1
I
[
K
S
s 2
1
K SQ 1
m
ax
[ 8] 李爱军, 谢燕武, 王伟. 总能量 控制原理 在地形 跟随飞 行控制中的应用 [ J]. 飞行力学, 2007, 25( 1): 67-72.
N ew m ethod for lateral directional axis control of aircraft based on total energy control
[ 4] 李广文, 章卫 国, 李建, 等. 小 生境 遗传 算法 及其 在飞 行控制系统 优化 中的 应用 研究 [ J] . 飞行 力学, 2007, 25( 3) : 79-82.
[ 5] 李广文, 章卫 国, 刘小 雄, 等. 基于 均匀 设计 的小 生境 遗传算法及 其 在飞 控 系统 中 的 应用 [ J]. 航空 学 报, 2008, 29(增刊 ): 73-78.
型下各飞行状态的动压 Q i, 然后将各飞行状态按动
压从小到大的顺序进行排序, 得到最大动压 Qm ax和
最小动压
Q m in及其分别对应的状态
SQm
和
ax
SQ
m
。
in
在获得最大动压 Q max和最小动 压 Qm in后, 将各
状态涵盖的整个动压范围均匀分为 M 个区间。第 j
( j = 1, 2, ,, M ) 个 状 态 的 动 压 范 围 为
图 1 某型运输机的飞行包线及其状态点
图 2 某型 运输机纵向控制增稳系统结构图
第 1期
李广文等. 一种飞机大包线控制律增益调参方法
31
采用上述方法对如图 2所示的纵向控制增稳系 统中的 4个参数 K 1, K 2, K 3 和 K 4 进行参数优化。待 优化参数随动压分布的情况如图 3~ 图 6所示, 在 这些优化结果的作用下, 法向过载的仿真曲线如图 7~ 图 9所示。
s 2
1
KS
s 3
1
]。
对于其余参数的范围设置, 也按照与 K 1 类似的
方式进行, 在此不再赘述。
3 仿真验证
为验证本文所提方法的有效性, 以某型运输机 纵向控制增稳系 统大包线控制律 设计为例进 行仿 真。该运输机的飞行包线共有 54 个状态点, 各状态 点及飞行包线如图 1所示。其纵向控制增稳系统的 控制律结构如图 2所示。图中, K 1, K 2, K 3 和 K 4 为 待调整的控制器参数。
收稿日期: 2009-04-27; 修订日期: 2009-09-07 作者简介: 李广文 ( 1978-), 男, 河北献县人, 讲师, 博士, 主要研究方向为飞行器控制、先进控制理 论和进化算法理论研究。
30
飞行 力学
第 28卷
动压对应的状态
SQ
和
max
状态
SQ m ,in 即
S
s 1
=
SQ m ,in
] 。其余状态
依此类推。这样最终获得的结果就是一条满足单调
递减规律的曲线。在获得了这些均匀分布的状态参
数后, 再按动压从小到大的顺序对其他飞行状态进
行调参, 这些状态的参数范围就根据已有调参规律
和参数范围进行设定。如状态 Si 处于 S2s和 Ss3之间,
则状态
Si
的
K1
范围为 K
I S i
1
[
K
S
( 下转第 35页 )
第 1期
柯 吉等. 基于能量的飞机横侧向控制方法研究
35
ton, 1994. [ 3] Lambreg ts A A. V ertica l flight pa th and speed control au-
topilot design using to ta l ene rgy princ iples[ R ]. A IAA-83C2239, 1983. [ 4] K urd jukov A P. Energy appro ach to flight contro l[ R ]. A IAA-98-4211, 1998. [ 5] Lester F a le iro. T ota l energy contro l system ( TECS) feas-i b ility exp lo ra tion for the aerospace techno logy dem onstrator( ATD ) [ Z ]. DLR, TR R 255-1998, 1998.
由仿真结果可以看出, 按本文所提出的工作点 选择方法进行飞机大包线控制律设计, 能够保证在 整个包线上均匀分布工作点, 这些工作点能够涵盖 包线上的典型区域。
4 结束语
按本文所提出的参数范围确定方法所得的控制 器参数满足参数随动压单调变化的工程要求, 便于 拟合和工程实现。因此本文所提出的大包线控制律 增益调参方法具有较强的工程应用前景。
[ 6] 张庆振, 安锦文. 一种基于 飞机总 能量控 制飞行 速度 / 航迹的解耦控制系统设计控 制新方法 [ J]. 航空 学报, 2004, 125 ( 14): 389-392.
[ 7] 谢燕武, 王伟, 李爱军. 基于能 量方法的 飞行控 制系统 设计与 仿 真 [ J]. 弹 箭 与 制 导 学 报 , 2005, 25 ( 3 ): 491-494.
就要考虑单调性的要求, 同时考虑各飞行状态随动
态的分布状况。在综合考虑这两个因素的前提下, 才有可能获得较好的调参规律。在考虑了上述因素
的基础上, 提出如下基于动压的工作点选择方法。
假设现有 n 个飞行状态 Si ( i= 1, 2, ,, n ), 各飞 行状态的高度和马赫数是已知的。首先计算同一构
K [ SQ 1
max
K
S2s 1
[
K SQ 1
m
,in
也
遵从随动压单调下降的规律。
再调第三个状态
S s3,
考虑
S s2和
SQm
的
in
结
果
,
参数范
围设定为 KS1s3 I [K S1Qmax KS1s2 ] 。其余状态依此类推。
这样最终获得的结果就是一条满足单调递减规律的
曲线。在获得了这些均匀分布的状态参数后, 再按
参考文献:
[ 1] 熊治国, 董新 民. 程序调 参飞 行控 制律 的研 究与 展望 [ J]. 飞行力学, 2003, 21( 4): 9-13.
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K1
为例,
如果
K SQ 1
m
ax
< K , S1Qm in 则表明 K 1 在整个范围内是随动压单调下降
的。那么当调第二个状态 S2s 时, 参数范围设置时就
考虑状态
SQ
m
和
ax
状
态
SQ
m
的
in
调
参
结果
,
将
范
围
设
置
成
K
S2s 1
I
[ K SQ 1
ma
x
K SQ 1
m
in
],
这样 获 得的 结果 必然 有
Qm in +
( j - 1)Q max - Qm in M
Q m in
+
j
Q max M
Qm in
。属于
这个区间的飞行状态为动压落在此范围内的状态。
在属于第 j 区间的各状态中, 选一 个状态作为这个
区间上各状态的代表。这样就获得了一组大致在整 个动压范围均匀分布的飞行状态 Ssj。应注意, 这一 组均匀分布的飞行状态 Sjs必须包括最大动压和最小
大包线增益调参控制律设计的难点是选择合适 的调参规律曲线, 即控制器增益与调度变量在各个 平衡工作点以及平衡点之间的对应关系。对于如何 获得调参曲线并没有理论上的指导, 本质上只是一 种试凑的方法。值得注意的是, 因为要通过大量的 仿真和实验对设计结果进行验证, 所以平衡工作点 的选取必须折衷考虑。在一定的插值方法下, 平衡 工作点若选取过多, 则会增 大仿真和 实验的负 担; 但若选取太少, 又不足以覆盖飞机在整个飞行包线 范围内的动态特性, 致使控制器的设计达不到预期 效果。本文对此工作点的选择和控制器参数范围的 设定问题进行了探讨, 提出了按动压选择工作点的
模型的遗传算法优化策略对控制器参数进行优化搜
索时, 调参范围应选得较大一些, 但优化迭代次数应
尽可能多。
在作了 几 次优 化后, 得 到两 组 控制 器 参数 值
[K K , K ] 和 [ K K , SQ 1
m
ax
SQ 2
m
ax
SQ m
m
ax
SQ 1
m
in
SQ 2
m
in
K SQ m
m
in
],
然后比较各参数值。以
中图分类号: V 24911
文献标识码: A
文章编号: 1002-0853( 2010) 01-0029-03
引言
方法和控制器参数的范围选择方法。
飞机的气动参数会随飞机的高度、马赫数或动 压而变化, 描述飞机运动的数学模型会随飞机飞行 状态的改变而产生大幅度的摄动, 这样, 仅仅靠一套 飞行控制系统参数就难以兼顾较大包线范围内的飞 行品质, 所以在飞行控制系统的设计过程中, 需要让 控制器参数随高度和马赫数或动压的变化而变化, 这就是增益调参的思想。增益调参的优点在于: 在 每个工作点附近, 都可以充分运用已经成熟的线性 设计理论来设计控制器; 系统能对调度参数的变化 迅速作出反应, 具有比较理想的性能指标, 这已为 实际中广泛的成功应用所证实。增益调参大包线控 制律是目前应用最广泛、最 成功的飞行控制律, 在 新一代战斗机如 Su-27, Su-30 及 F-16 飞机的飞行 控制系统中均得到了成功应用 [ 1-3 ] 。
第 28卷 第 1期 2010年 2月
飞行力学 FL IGHT DYNAM ICS
V o .l 28 N o. 1 F eb. 2010
一种飞机大包线控制律 增益调参方法
李广文, 贾秋玲, 章卫国, 刘小雄
(西北工业大学 自动化学 院, 陕西 西安 710072)
摘 要: 针对飞行控制系统大包线控制律中控制器参数规律难以拟合的问题, 提出了一种包 线范围内工作点 的选
SMs
=
SQ max。这一组工作点就作为优先调参的状态。
2 控制器参数范围的确定方法
在获得均匀分布的飞行状态
S
s j
(作为优先调参
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的状态 )后, 首先对最大动压和最小动压对应的状态
SQ max和状态
SQ
m
进
in
行调
参。
调
参方
法
可
以
用传
统
的
试凑方法, 也可以采用参考文献 [ 4, 5] 所提出的基
于参考模型的遗传算法优化策略。在采用基于参考