舰载飞机自动着舰纵向控制系统设计的理论与仿真研究

摘要

舰载飞机进舰着舰自动引导和控制系统是现代航空母舰/舰载飞机系统的关键技术,一直以来备受关注。航空母舰自动着舰控制系统(ACLS)是舰载飞机自动进舰着舰技术的综合体现,能引导和控制舰载飞机在各种天气、海况下在航空母舰甲板上安全着舰。本文围绕ACLS,对其设计过程中所涉及到的关键技术进行了系统深入的理论与仿真研究,具体的研究内容主要包括:
　　(1)舰载飞机进舰着舰环境因素中,甲板运动和舰尾流是产生着舰误差的主要原因。根据航空母舰海上运动具有平稳随机过程的特点,利用功率谱模型对甲板运动进行了建模,尽可能真实地反映航母甲板上理想着舰点的运动状况,并分析得出舰载飞机进舰着舰的预期下滑轨迹。同时分析了舰尾流的物理特性和成因,采用工程化方法,参照美国军标对舰尾流进行了建模与仿真。
　　(2)根据飞行力学知识,对舰载飞机进舰着舰阶段的纵向受力进行分析,建立了相应的无风状态和有变化风场时的纵向运动方程模型,并对其进行线性化从而得到小扰动运动方程,采用“系数冻结法”将其转化为线性状态方程模型,并对舰尾流影响作了简化。以美国海军F/A-18A舰载飞机作为研究对象,分析了舰载飞机在着舰状态下的动态特性。升降舵和油门的阶跃输入响应表明处于低动压状态的舰载飞机具有空速不稳定特性。
　　(3)基于经典控制理论,设计了高度变化率指令纵向自动着舰控制系统。按照舰载飞机自动着舰控制系统的基本结构,从内而外依次对自动飞行控制系统、自动推力补偿系统、纵向引导控制律、甲板运动补偿器进行了研究和设计,在MATLAB/SIMULINK中对其进行完整建模,仿真结果表明所设计的ACLS的基本结构是正确的。
　　(4)基于模糊控制理论,对高度变化率指令ACLS的纵向引导控制律进行改进和优化。根据一般舰载飞机自动着舰控制系统的特点,提出通过设计模糊PID控制器对纵向引导控制律进行改进,基于由工程专家的经验构造的模糊控制规则,利用模糊控制系统对控制器参数进行在线调整。仿真结果表明,该方法可有效改进舰载飞机的着舰品质。
　　(5)基于鲁棒H∞控制理论,设计了纵向自动着舰控制器。根据着舰导引系统的性能要求,确定系统性能评价输出、H∞控制器反馈输入量及加权矩阵的形式从而建立H∞控制增广模型的结构,并对加权矩阵参数进行调整,基于线性矩阵不等式处理方法利用MATLAB中的鲁棒控制工具箱设计纵向H∞自动着舰控制器。仿真结果表明,所设计的自动着舰引导控制器能有效抑制舰尾流扰动影响,能满足着舰要求。
　　综上所述,本文对舰载飞机进舰着舰纵向控制进行了系统的研究,针对舰载飞机着舰过程中存在舰尾流扰动及甲板运动情况,使用多种控制方法对控制律进行了设计和改进。仿真结果显示所设计的控制系统能有效抑制舰尾流影响,跟踪甲板运动,可满足着舰要求,本文所获得的理论与仿真研究成果对ACLS设计具有重要的参考价值。