飞机容冰飞行控制系统设计的理论与方法研究

摘要

飞机结冰是造成飞机飞行事故的重要原因之一。事实证明只是依靠飞机机载防＼除冰系统不能完全解决飞机结冰带来的飞行安全隐患,其根本原因是防＼除冰系统并不能百分之百地防止飞机结冰或者消除已经结的冰,导致飞机会出现带冰飞行的情况。如何解决飞机带冰飞行的安全问题己成为飞机设计与飞行控制领域一个新的关键研究课题。本文围绕飞机容冰飞行控制技术,深入研究结冰后飞机飞行动力学模型、结冰检测理论、结冰状态重构控制理论及飞行包线保护理论等,并在此基础上系统建立具有飞机容冰概念的综合结冰保护系统,综合仿真结果表明该系统能够对带冰飞行的飞机实施有效的包线保护,并保证飞机具有良好的操稳特性。飞机容冰飞行控制问题的研究内容涵盖流体力学、飞行动力学、参数辨识、飞行控制、人工智能等多学科,是属于多学科交叉研究领域。
　　本文的主要研究工作包括:
　　1.系统研究讨论了能表征飞机结冰严重程度、含有结冰特性参数的飞机结冰后飞行动力学特性描述模型,提出了基于神经网络的结冰定性检测方法;
　　2.深入研究飞机结冰的定量检测方法。论文由浅入深地研究了“时不变”系统H∞参数检测法、“时变”系统H∞参数检测法以及时不变与时变综合参数检测法等三种参数识别的方法,以及它们在飞机结冰参数辨识问题上的应用。开创性的设计并提出“时不变”与“时变”综合参数检测方法以及使用规则,仿真研究证明可以有效的减少了检测的延时时间,大大提高了检测方法的实用性。
　　3.研究飞机结冰状态重构控制方法。本文通过对鲁棒控制技术、线性矩阵不等式技术的详细阐述与讨论,让方法的基本原理更加清晰。然后通过对比基于线性矩阵不等式的H∞控制、H2控制和H2/H∞控制三种方法设计出的状态反馈控制器的使用效果,确定适合本文仿真算例最为合适的重构控制方法为H2控制。此外,从控制方法的理论层次分析了仿真结果,让三种方法各自的适用范围和优缺点更加清晰。
　　4.研究基于容冰飞行概念的飞机结冰综合保护系统的应用。该系统主要有飞机结冰飞行控制系统和飞机结冰包线保护系统组成。其中飞机结冰飞行控制系统即为飞机结冰参数检测与重构控制的综合应用仿真,而飞机包线保护系统则主要通过检测关键状态量来限制输入信号。两者功能定位不同,却能相辅相成,共同组成完整的飞机结冰综合保护系统。
　　本文整体研究思路是通过对飞机容冰飞行控制的主要技术进行了系统的研究和探讨,针对不同的参数检测方法和不同的控制重构方法进行了仿真比较,从方法的本质和仿真结果两个方面讨论对比各自的优缺点。从中选择最符合本文所涉及的仿真环境和算例的参数检测方法和重构控制方法,最终建立优化后的飞机结冰综合保护系统。通过仿真计算证明飞机容冰飞行的可行性。