全自动着舰纵向引导律优化设计

摘要

航母/舰载机系统是当今海战的核心力量，而舰载机着舰过程的安全性严重制约航母的战斗力。本文主要研究了与自动着舰引导技术相关的飞行控制系统设计问题，针对算例机型完成了自动着舰控制律内、外回路，进场动力补偿器，甲板运动补偿环节的设计以及必要的仿真验证工作。
　　本文首先建立了舰载机进场运动模型，航母运动模型，并根据美国军标对舰尾流模型的描述建立了完整的舰尾流仿真模型。在此基础上，参考F/A-18A飞机ACLS构型，利用算例舰载机的纵向小扰动线性化模型构建了纵向ACLS，并对控制器参数进行了初步调校。其次，将经典控制理论与模糊控制原理相结合，完成对纵向自动着舰模糊控制系统（Fuzzy-ACLS）的设计，主要针对自动驾驶仪和 APCS这两个机构设计模糊控制器，这需要确定控制器输入、输出，并制定实用的模糊规则库和隶属度函数。通过数值仿真比较传统ACLS与Fuzzy-ACLS对控制指令的响应情况以考察Fuzzy-ACLS的性能。考虑到Fuzzy-ACLS的控制效果仍有不足，基于遗传算法基本原理，本文对纵向ACLS做了进一步优化设计以增强其抵抗复杂气流扰动的能力。针对舰尾流分量中3种随机性分量，通过设计合理的适应度函数（即系统性能评价函数）对控制器参数进行寻优，寻优过程考虑了时频域综合约束指标，并创新地采用了时频域综合寻优方法；对于舰尾流稳态分量的抑制问题，尝试在内回路加入高度变化率补偿指令来实现。将参数寻优和补偿指令结合，实现了针对完整舰尾流分量的良好抑制，最后通过仿真验证了系统在扰流中的综合响应性能。最后，设计了甲板运动补偿器和预估器并加入已设计的纵向ACLS，从而使舰载机能同步跟踪理想着舰点随航母甲板的运动，在高海况下仍能保证落点精度。然后建立舰载机尾钩及落点检测模型，实现落点偏差的仿真结果统计，在考虑甲板运动和舰尾流场影响下对最终着舰性能进行了综合分析。

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第1章 绪论

1.1 论文研究的背景和意义

1.2 全自动着舰系统的工作原理

1.3 国内外着舰技术发展现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 舰载机着舰环境建模

2.1 舰载机非线性运动模型的建立

2.2 小扰动线性模型的建立

2.3 航母运动模型的建立

2.4 舰尾流场模型

2.5 本章小结

第3章 舰载机自动着舰纵向控制系统设计

3.1 纵向内回路设计

3.2 外回路导引律设计

3.3 进场动力补偿系统设计

3.4 本章小结

第4章 全自动着舰模糊引导律优化设计

4.1 模糊控制系统与模糊控制器

4.2 模糊着舰系统设计

4.3 驾驶仪规则库和油门规则库设计

4.4 完整模糊构型及仿真验证

4.5 本章小结

第5章 基于遗传算法的引导律优化设计

5.1遗传算法基本原理

5.2 ACLS寻优策略及性能评价方法

5.3 纵向ACLS参数寻优

5.4 控制器参数的时频域综合寻优

5.5 舰尾流稳态分量的抑制方法

5.6 纵向ACLS优化设计验证

5.7 本章小结

第6章 甲板运动补偿及预估设计

6.1 甲板运动补偿技术

6.2 甲板运动预估方法及仿真验证

6.3 ACLS纵向落点偏差仿真分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢