基于非线性控制的大型民机包线保护策略研究

摘要

大型民用飞机是我国中长期发展规划十六个重大研究专项之一，在国家工信部民机科研专项(No.MJZ-2011-S-06，No.MJZ-2015-S-080)资金资助下，本论文围绕飞行控制系统设计中的包线保护这一主动控制问题，开展了基于非线性控制的大型民机飞行包线保护策略研究工作，论文依次从大型民机的非线性动力学建模，反步法飞行控制律的设计，快速鲁棒反步控制律的研究，飞行包线保护策略的研究四个主要方面进行了阐述，具体内容如下：
　　1.以波音B747-100/200大型民机为研究对象，研究六自由度刚体非线性动力学。首先，利用刚体一般运动方程，推导了气流系变量和航迹系变量的动力学方程。其次，采用气动系数和气动导数建立气动参数模型，计算气动力和力矩，并研究了模型中重力、气动、推进、风力项力和力矩的表达式。最后对动力学模型包括仿真使用的模型和非线性控制律设计使用的矩阵形式模型进行了总结，并简化出纵向运动模型，利用MATLAB/Simulink对飞机模型的开环特性进行分析。
　　2.针对大型民机非线性标称模型的控制问题，设计了基于反步法的指令跟踪控制律。首先，运用李亚普诺夫稳定性理论给出了反步法跟踪控制律的一般形式，结合飞行器纵向运动显式方程，研究了控制律参数对指令跟踪反步法控制律的性能影响。其次，根据第二章建立的纵向运动单输入单输出模型，采用反步方法设计了俯仰角和攻角的指令跟踪控制律。最后，设计了矢量反步姿态跟踪控制律，应用于六自由度多输入多输出模型。仿真结果表明，在标称模型下，指令跟踪效果很好；当模型存在不确定或发生故障时，指令跟踪效果受到影响，性能有所降低。
　　3.针对大型民机非线性、模型不确定的控制问题，利用快速终端滑模理论，研究了一类快速鲁棒反步控制方法。首先运用径向基函数（Radial Basis Function，RBF）神经网络、快速终端滑模、反步控制思想，提出了一种快速鲁棒自适应反步（Fast Robust Adaptive Backstepping，FRAB）控制律设计方法。该方法具有指令跟踪误差收敛速度快，跟踪精度高，鲁棒性好等优点。其次，利用超螺旋滑模控制方法设计了基于非线性干扰观测器的快速鲁棒反步控制律，仿真结果显示，该方法不仅继承了FRAB控制器的特点，还能快速准确地估计复合干扰。最后，利用基于传感器反步控制（Sensor Based Backstepping，SBB）方法，设计了快速鲁棒控制律，该方法需要使用传感器信息，不依赖于模型，不必对扰动进行估计就具有鲁棒能力。
　　4.针对大型民机包线保护的控制问题，探讨了不同的包线保护的策略。首先对经典的迎角限制器的性能做了分析。其次，采用预测控制，设计了一种直接具有包线保护功能的控制器。最后，基于第四章提出的快速鲁棒反步控制器，提出两种保护方案即指令限制和控制模态切换，应用到包线保护的控制任务中。控制模态切换策略具有设计简单的特点，但是由于切换，存在稳定性证明困难。指令限制策略能保证稳定性，需要利用模型进行设计。两种方法的性能都优于传统的迎角限制器，并且在故障条件下的仿真表明，设计的包线保护控制器具有良好的容错能力。在波音 B747飞机上的仿真验证了设计的容错保护算法在模型不确定干扰和发生结构故障情况下的有效性。
　　通过以上研究工作，本论文解决了大型民机姿态指令鲁棒跟踪控制问题，采用指令限制等控制策略结合FRAB指令跟踪控制器解决了大型民机容错飞行包线保护问题。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3论文内容与结构

第二章 大型民机非线性动力学建模

2.1引言

2.2几何参数

2.3运动方程

2.4力和力矩

2.5气动参数模型

2.6其他模型

2.7动力学模型总结

2.8飞行开环特性分析

2.9小结

第三章 反步法飞行控制律设计

3.1引言

3.2李雅普诺夫稳定性理论

3.3反步法控制律设计

3.4 SISO纵向动力学控制

3.5 MIMO六自由度模型控制

3.6小结

第四章 鲁棒反步飞行控制律设计

4.1引言

4.2相关基本理论

4.3控制问题描述

4.4快速鲁棒自适应反步法

4.5基于干扰观测器的快速鲁棒反步

4.6基于传感器的快速鲁棒反步

4.7不同方法比较

4.8小结

第五章 飞行包线保护设计

5.1引言

5.2包线保护策略

5.3问题描述

5.4预测控制

5.5控制模态切换

5.6指令限制策略

5.7小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

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