载机拦阻着舰动力学特性及安全控制方法研究

摘要

舰载机拦阻着舰具有多参数、高耦合、精度要求高等特征，其完成的优劣直接影响航母战斗群的整体作战效能。现有的着舰动力学研究方法，因忽略多种非线性扰动因素及多体耦合特性，造成最终搭建的数学模型与实际物理过程之间存在偏差；而针对舰载机着舰安全的研究，则因强振荡气动特性的缺失及控制理论性能的制约，导致按照线性控制理论所得的输出信号难以达到理想的控制效果；同时，由于缺乏对着舰安全飞行状态空间的研究，导致驾驶员难以依据着舰参数直观判定当前状态是否安全。基于以上原因，现阶段的拦阻着舰研究很难进一步提高仿真精度和着舰安全性。针对舰载机拦阻着舰研究中存在的主要问题，本文对全量非线性着舰动力学建模方法、线性及非线性控制方法、着舰参数适配算法、着舰安全集求解及飞行安全边界控制方法等关键技术进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴考虑多种非线性扰动因素对拦阻钩反弹特性及拦阻力输出特性的影响，改进了拦阻钩模块及拦阻装置模块的数学模型，并依据拦阻着舰动力学特性，系统地研究了舰载机、航母、起落架与拦阻装置等模块之间耦合特性。随后，结合舰船运动模型及舰尾流模型，提出了一套全量非线性着舰动力学模型的搭建方法。最后，针对不同的着舰参数及外部环境，系统地进行舰载机着舰动态响应的定性分析。仿真结果表明，改进后的全量非线性着舰动力学系统可更好地模拟出各模块作用力（力矩）和空间方位之间的耦合关系，更为全面、精确地体现出不同工况下舰载机的着舰动力学特性。⑵将高阶非线性系统转换成为常系数线性微分方程组，分析了舰载机固有模态特性，并进行常规线性自动着舰控制方法的研究。考虑到载机着舰对控制系统鲁棒性及控制精度的要求，以能量反馈理论为基础，结合自动增稳系统及自动油门补偿系统构造出对受控模型精度要求低且具有较强鲁棒性的自动飞行控制系统。随后，利用改进后的总能量控制理论进行引导控制系统搭建，提出一套基于能量反馈理论/总能量控制理论的自动着舰控制方法,并使用粒子群算法完成着舰参数整定。仿真结果表明，本文设计的自动着舰控制系统在具有较强鲁棒性的基础上，能够完成舰载机进舰速度与高度之间的解耦控制，可以更为理想地抑制不同因素对舰载机姿态及下滑航迹带来的干扰，有效提高舰载机着舰精度。⑶考虑系统的不确定性，以舰载机非线性动力学模型的仿射形式为研究对象，使用线性二次性能指标最优控制算法求解初始控制解析式，结合 Galerkin逐步逼近算法进行 HJB偏微分方程的迭代求解，并最终计算出非线性着舰最优控制律。以此为基础，完成非线性最优着舰控制系统的搭建，并对比分析不同阶数的基函数完备集对系统控制精度的影响。然后在非线性最优控制系统的基础上引入扰动输入量，通过截取改进后Galerkin算法的有限次迭代结果，得到了非线性鲁棒H?控制系统的次优控制律。仿真结果表明，基于L2增益的非线性次优控制系统具有更为优良的鲁棒性，能够在保证系统稳定的前提下有效降低舰尾流等扰动因素对系统输出的影响。⑷考虑进近舰阶段与拦阻滑跑阶段多项着舰安全准则的约束，通过推导动力学方程得到各准则下的着舰参数适配解析式，并求解出相应的着舰参数适配曲线。随后，以各条曲线限定的适配区域为依据，分析各安全准则对于参数适配研究的必要性，筛选合适的条款提出一套舰载机进舰速度和着舰质量适配关系的分析方法。最终，求解出满足所有着舰安全准则约束的载机着舰状态空间，并选取典型的着舰工况验证所求空间的有效性，分析不同着舰参数对于着舰关键参数适配区域的影响。仿真结果表明，本文提出的分析方法可以有效、快速、直观地进行不同着舰工况中进舰速度与着舰质量之间适配区域的求解。⑸考虑着舰安全准则与载机动力学特性的约束，进行舰载机着舰安全控制包线的研究。通过对不变集与可达域的相关理论进行扩展，引申出了舰载机着舰安全集（最大可控不变集）的概念。以载机本体气动特性及控制效能为基础，结合水平集理论及舰载机着舰参数适配范围求解出满足仿射非线性系统所有约束的最大可控飞行状态空间，并分析了不同着舰工况对于安全集范围的影响。随后，利用最优控制理论及水平集边界理论构建出全状态安全边界保护控制系统，用以确保整个着舰过程所有参数都位于飞行安全集范围内。在此过程中，引入控制舵面的偏转角速度作为状态输入量来模拟舵机真实时滞特性。仿真结果表明，着舰安全集能够有效反映各种约束对载机飞行状态的影响，并且改进后的安全边界保护系统可以有效消除舵机的非连续性振颤现象，减缓舰载机各关键状态在受控过程中的变化幅度，提高系统的工程应用价值。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 舰载机拦阻着舰研究的发展

1.3 舰载机着舰研究中存在的问题

1.4 本文研究主要内容

第二章 拦阻着舰动力学模型搭建方法

2.1拦阻着舰动力学模型

2.2 着舰外部环境因素

2.3 载机着舰动态特性影响因素

2.4 本章小结

第三章 舰载机线性自动着舰控制方法

3.1 舰载机纵向模型线性化及分析

3.2 常规自动着舰控制方法

3.3 基于QFT/TECS的自动着舰控制方法

3.4 载机着舰仿真与分析

3.5 本章小结

第四章 舰载机非线性自动着舰控制方法

4.1 非线性次优自动着舰控制方法

4.2 基于L2增益的非线性次优鲁棒自动着舰控制方法

4.3 载机着舰仿真与分析

4.4 本章小结

第五章 着舰参数适配特性研究方法

5.1 着舰安全准则

5.2 着舰参数适配关系求解方法

5.3 参数适配范围的影响因素

5.4 本章小结

第六章 着舰安全集及边界保护方法

6.1 着舰安全集求解方法

6.2 安全集的影响因素分析

6.3 安全边界保护方法研究

6.4 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 研究总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

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