新一代歼击机超机动边界生成与保护控制

摘要

随着科技的发展，新一代歼击机的机动性能得到了很大的提升。对于歼击机在超机动情况下的安全要求也随之提高。所谓机动飞行的安全性，是指歼击机在进行超机动飞行时，状态量及控制量均不超出限制边界。为了实现“无忧虑”操作，将边界保护控制系统引入到飞行控制系统中。对于给定的边界值，边界保护控制系统可以使受限量不超出边界值。这对于保证飞行的安全性及实现驾驶员的“无忧虑”操纵有着重要意义。因此，歼击机超机动边界生成与保护控制研究是一项具有前瞻性和挑战性的课题。本文针对这一问题，首先对先进歼击机模型进行建模与分析，在此基础上，考虑模型受扰情况下的歼击机飞行控制器设计。引入边界判定方法及生成方法，生成受限参数的安全边界，并与保护控制方法结合，组成边界保护控制系统。论文的主要工作内容如下：
　　首先，建立先进歼击机非线性数学模型，并通过对模型的结构、参数设置以及飞行开环零输入响应、通道耦合特性进行分析，验证所建立模型的有效性，为后面的超机动边界生成及边界保护研究提供基础。
　　然后，针对具有参数不确定和外界干扰的歼击机进行了控制器的设计。结合滑模干扰观测器及backstepping方法进行了歼击机飞行控制律设计，backstepping设计的每一步中均采用滑模干扰观测器对复合干扰进行逼近，并设计鲁棒项补偿观测误差。采用Lyapunov稳定性理论证明了跟踪误差最终有界并证明了闭环系统的稳定性。通过对比仿真证明该方法对复合干扰具有良好的抑制效果。
　　接着，对歼击机进行气动参数分析，在此基础上提出了飞行边界的定义，并介绍了机动边界的判定方法，即可达平衡集方法。利用可达平衡集方法对俯仰机动条件下的迎角边界进行判定，并对比有、无推力作用下迎角边界，分析推力对迎角边界的影响。针对现有边界，提出基于避障思想的边界生成方法，根据当前状态和控制输入，生成受限变量的安全响应轨迹。安全轨迹将被作为歼击机边界保护控制系统的子模块被用于边界保护控制。
　　最后，研究了歼击机超机动情况下边界保护控制系统设计问题。首先介绍了动态矩阵控制方法，并将其应用到飞行保护控制系统中。将飞行控制器及安全轨迹生成系统模块化，加入到边界保护控制系统中，保证歼击机在正常飞行及超机动飞行情况下的安全控制。针对F-16模型，验证所设计系统在歼击机超机动作用下的保护控制作用。并进行仿真验证，仿真结果表明，在歼击机超机动过程中，边界保护系统体现出较好的保护性能。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2飞行控制技术现状

1.3边界保护控制研究现状

1.4主要研究内容安排

第二章 新一代歼击机仿真模型建立及性能分析

2.1引言

2.2歼击机模型的建立

2.3飞机飞行特性分析

2.4本章小结

第三章 基于SMDO的飞行姿态鲁棒backstepping控制

3.1引言

3.2基于SMDO的飞行姿态鲁棒backstepping控制器设计

3.3仿真验证

3.4本章小结

第四章 歼击机超机动边界判定与生成

4.1引言

4.2先进歼击机气动参数分析

4.3飞行边界的定义与判定方法

4.4超机动条件下的边界判定方法

4.5基于避障思想的安全边界生成方法

4.6本章小结

第五章 歼击机超机动边界保护与控制系统

5.1引言

5.2基于动态矩阵控制的飞行控制律设计

5.3歼击机超机动边界保护控制系统设计

5.4仿真与结果分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文的主要工作

6.2本文的不足与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文