歼击机过失速机动边界判定与保护控制

摘要

随着现代空战理念的不断革新，歼击机过失速机动已成为新一代战机的核心技术，同时，过失速机动的安全问题也成为一个值得深入研究的重点问题。过失速机动的安全问题与过失速机动能力有着密切的联系，定量给出当前状态下的机动能力边界值，并在飞行过程中合理选择相应状态变量加以约束，对于保证过失速机动的安全性与机动的完成，实现驾驶员的“无忧虑”操纵有着重要意义。因此，先进歼击机飞行边界判定和边界保护的研究是一项具有前沿性与挑战性的课题。本文针对这一问题，基于歼击机气动模型，提出飞行边界的判定方法，并以过失速绕速度矢量轴滚转机动与俯仰滚转耦合机动为例对边界进行边界判定与分析，进而设计过失速绕速度矢量轴滚转机动边界保护控制系统。
　　本研究首先结合非定常气动力研究成果，建立先进歼击机非线性数学性模型，并对模型的结构、参数设置、飞行开环零输入响应及耦合特性进行分析，为后续过失速机动边界判定及边界保护研究打下基础。其次，分析经典动态逆控制律在过失速绕速度矢量轴滚转机动中的失控过程，引出边界判定与保护控制。基于先进民用飞机飞行边界的判定思想，对传统歼击机飞行包线的定义进行拓展，给出了动态机动边界定义及具有普适意义的边界算法。同时针对过失速机动动态边界，借助可达平衡集的机动能力评价方法给出失控判定准则，总结出过失速机动动态边界即状态受约束下的机动能力。然后，根据提出的失控判定准则得到状态约束，借助动态配平思想与可达平衡集方法，对过失速机动中的绕速度矢量轴滚转机动与俯仰滚转耦合机动的边界进行有限元计算和分析，并结合飞机耦合特性对求得边界的正确性进行运动机理验证。另外以深失速为例，针对过失速机动中的危险状态，把借助可达集方法计算出的危险状态收敛域作为边界。最后，对边界保护控制系统进行整体设计，并将问题分为三部分，即角速度环控制器设计，姿态环控制器设计与边界保护控制器设计。在保护控制中综合采用指令约束与状态受约束控制的复合保护方法，并将状态受约束控制律与内环控制律进行综合设计，采用基于反馈线性化的鲁棒模型预测控制律，并以三类典型过失速机动对设计的控制算法的可行性进行验证。在边界算法中，为了得到未来状态的边界，提出了基于可达集方法的受约束状态预测算法，最终，以绕速度矢量轴滚转机动为例，对设计的边界保护控制系统进行仿真验证。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

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2研究现状综述

1.3本文的研究内容及安排

第二章 先进歼击机非线性系统模型及分析

2.1引言

2.2歼击机非线性模型的构建

2.3歼击机非线性模型特性分析

2.4纵向非定常气动系数建模与分析

2.5本章小结

第三章 歼击机过失速机动边界判定方法

3.1歼击机过失速机动边界保护需求分析

3.2飞行边界与动态机动边界

3.3过失速机动动态机动边界的判定

3.4状态受约束的机动能力计算方法

3.5本章小结

第四章 歼击机典型过失速机动边界分析

4.1引言

4.2常规机动边界

4.3过失速绕速度矢量轴滚转机动边界

4.4俯仰滚转耦合机动边界及其机理分析

4.5危险状态边界

4.6本章小结

第五章 歼击机过失速机动边界保护控制系统设计

5.1歼击机过失速机动边界保护控制系统框图

5.2歼击机反馈线性化控制律

5.3基于鲁棒模型预测控制的状态受约束控制律

5.4基于反馈线性化鲁棒模型预测控制律设计

5.5歼击机过失速机动仿真及结果分析

5.6歼击机过失速绕速度矢量轴滚转机动边界保护

5.7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

附录1 歼击机力及力矩气动系数