CN102023640B - 飞行包线内标称设计点的选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行包线内标称设计点的选择方法，属于飞行器自动控制领域。现有飞行包线内标称设计点的选择方法很大程度上取决于设计人员的经验，不易确定标称设计点的数目和位置。本发明首先在传统马赫数——高度飞行包线中引入迎角将其扩展为三维飞行包线，然后采用聚类方法和凸包顶点方法对三维飞行包线内所有备选状态点的重要气动参数进行处理，再考虑部分特殊要求的状态点，从而实现对全飞行包线内标称设计点的选择。该选择方案可以降低设计人员的主观性，提高工作效率。

Description

飞行包线内标称设计点的选择方法

技术领域

本发明属于飞行器自动控制领域，具体涉及到一种飞行包线内标称设计点的选择方法。

背景技术

为了使飞行器在工作时满足一定的飞行性能和飞行品质要求，需要设计出合适的控制器。因为控制器的参数取决于飞行器的状态参数，而在飞行包线范围内，飞行器的状态参数会发生显著变化，所以无法通过设计单一控制器参数满足飞行器全包线范围内的飞行性能和飞行品质要求，因此需要找出一定数目的状态点以代表整个飞行包线的动力学特性；同时，为了减小设计工作量，提高工作效率，也不能在全包线内取过多飞行状态点设计控制器参数。因此，必须在飞行包线内选取位置和数目都合适的状态点作为标称设计点。

目前设计人员选定标称设计点的主要方法，是根据飞行阶段将飞行包线分为几个部分，每个部分选择若干状态点作为标称设计点。这两种选择标称设计点的方法存在以下问题：

1.标称设计点的选择是否有效很大程度上取决于设计人员的经验，很难确定标称设计点数目与位置，结果缺乏理论支撑，主观因素明显。

2.标称设计点的数目不易确定，数目过少难以覆盖整个包线，影响控制效果，数目过多会增大设计人员的工作量，选取工作耗时耗力，工作效率低。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种飞行包线内标称设计点的选择方法，使设计人员仅仅对这些标称设计点进行控制器参数的设计，应用现有的插值方法就可以使飞行器在全飞行包线下满足一定要求。

本发明的飞行包线内标称设计点的选择方法，包括下面几个步骤：

步骤一：获取某种飞行器的马赫数——高度飞行包线，选取备选点，确定备选点坐标；

获取某种飞行器的马赫数——高度飞行包线，在飞行包线中确定作为控制器标称设计点备选点的集合，以马赫数和高度为每个备选点的坐标；

步骤二：引入飞行迎角作为飞行包线的第三维坐标，扩充备选点集合；

将飞行迎角引入作为第三维坐标，组成马赫数——高度——迎角三维飞行包线，在迎角维度上对步骤一中得到的备选点集合进行扩充，得到新的备选点集合；

步骤三：获取所有备选点的用户需要的气动参数；

结合风洞实验数据和计算流体力学软件模拟数据，以步骤二中确定的备选点坐标，即马赫数、高度和迎角为条件，计算出步骤二中所述备选点集合中所有备选点的用户需要的气动参数；

步骤四：确定标称设计点的第一部分；

采用聚类方法对步骤三中得到的所有备选点的气动参数进行聚类，求出每个聚类的中心作为标称设计点的第一部分；

步骤五：确定标称设计点的第二部分；

以步骤三中得到的所述气动参数的种类个数为维数、取值大小为坐标，建立多维正交坐标系，将步骤二中所述备选点集合对应至多维正交坐标系内，利用凸包分析方法获得包络所有备选点的空间几何体，将处于空间几何体边界上的所有备选点作为标称设计点的第二部分；

步骤六：确定标称设计点的第三部分；

将飞行器部分有特殊要求的状态点单独列出，作为所求标称设计点的第三部份，最后得到的标称设计点即步骤四、步骤五和步骤六三部分标称设计点共同构成的集合。

本发明的优点在于：

(1)标称设计点的选择准则具有客观、清晰的特点，可以降低设计人员工作的主观性；

(2)标称设计点的选择方法步骤数目有限，过程简明，便于设计人员理解与实现；

(3)标称设计点选择过程兼顾飞行包线边界与内部的动态特性，同时还考虑了飞行包线内具有特殊要求而需要进行详细设计的状态点，因此能够充分代表整个飞行包线。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2为实施例中马赫数——高度飞行包线图；

图3为实施例中在马赫数——高度飞行包线中确定备选状态点示意图；

图4为实施例中引入迎角作为第三维坐标并扩充备选点的示意图；

图5为实施例中对每个备选点的两个关键气动数据进行计算得到的结果；

图6为实施例中对每个备选点的两个关键气动数据进行聚类后效果图；

图7为实施例中将聚类结果反映在马赫数——高度——迎角三维飞行包线后的效果图；

图8为实施例中针对每个备选点的两个关键气动数据构成的二维平面图形求取凸包顶点示意图；

图9为实施例中将求出的凸包顶点反映在马赫数——高度——迎角三维飞行包线后的示意图；

图10为实施例中将部分有特殊要求的状态点单独列出作为标称设计点示意图；

图11为实施例中通过聚类方法和凸包顶点方法求出的标称设计点示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：获取某种飞行器的马赫数——高度飞行包线，选取备选点，确定备选点坐标；

获取某种飞行器的马赫数——高度飞行包线，在飞行包线中确定作为控制器标称设计点备选点的集合，以马赫数和高度为每个备选点的坐标。

在选取备选点的过程中，根据飞行包线中马赫数和高度的变化范围选择若干间隔点，并以马赫数间隔点和高度间隔点的所有组合作为备选点，备选点的数量根据飞行包线中马赫数和高度的间隔大小决定，一般飞行包线是以马赫数和高度为坐标，因此在取备选点时根据马赫数和高度变化范围直接选择合适的间隔选取备选点；在确定马赫数、高度或飞行时间的间隔时不能使间隔太大使得备选点过于稀疏难以充分代表全部飞行状态，又不能使间隔太小使得备选点过于密集而增加设计工作量。本发明中马赫数间隔取0.1～0.5，高度间隔取100米～2000米。

步骤二：引入飞行迎角作为飞行包线的第三维坐标，扩充备选点集合；

在步骤一的基础上，将飞行迎角引入作为备选点的第三维坐标组成马赫数——高度——迎角三维飞行包线，在迎角维度上对步骤一中得到的备选点进行扩充，得到新的备选点集合。所述扩充备选点集合的过程为，以迎角间隔点、马赫数间隔点和高度间隔点的所有组合作为新的备选点集合。

迎角变化范围通过飞行器的配平关系(满足绕机体坐标系俯仰轴力矩平衡的条件)再加上一定限制条件(如失速迎角限制、护尾迎角限制、过载限制等)得到，不同类型的飞行器在具体飞行状态下具有不同的迎角变化范围，设计人员能够根据实际情况自行确定。迎角变化范围确定后需要取合适的间隔，一般取0.5°～2°。

步骤三：获取所有备选点的用户需要的气动参数；

结合风洞实验数据和计算流体力学模拟软件数据，以步骤二中确定的备选点坐标，即马赫数、高度和迎角为条件，计算出步骤二中所述备选点集合中所有备选点的用户需要的气动参数。

所述的用户需要的气动参数为飞行器运动方程中的动力学系数(气动大导数)，例如升力、侧力和阻力等气动力对于迎角和侧滑角等气动角的大导数或对于升降舵、方向舵和副翼等控制舵面偏转角的大导数，以及俯仰力矩、偏航力矩和滚转力矩等气动力矩对于迎角和侧滑角等气动角或对于升降舵、方向舵和副翼等控制舵面偏转角的大导数。气动参数的选择与飞行器动力学模型和设计人员所选择的控制方法有关，以纵向气动参数为例，一般包括各种大导数(如升力、俯仰力矩等气动参数对迎角或升降舵偏角的导数)。这个步骤中的几个气动参数测量和计算过程详情可见航空工业出版社2002年版《飞机设计手册》第1册《常用公式、符号、数表》相关部分和第6册《气动设计》中相关部分。

步骤四：确定标称设计点的第一部分；

采用聚类方法对步骤三中得到的所有备选点的气动参数进行聚类，并求出每个聚类的中心作为标称设计点的第一部分。聚类方法可以为模糊聚类方法、系统聚类方法或者动态聚类方法等。

步骤五：确定标称设计点的第二部分；

以步骤三中得到的所述气动参数中的种类个数为维数、取值大小为坐标，建立多维正交坐标系，将步骤二中所述备选点集合对应至多维正交坐标系内，利用凸包分析方法获得包络所有备选点的空间几何体，将处于空间几何体边界上的所有备选点作为标称设计点的第二部分。

步骤六：确定标称设计点的第三部分；

将飞行器部分有特殊要求的状态点单独列出，作为所求标称设计点的第三部份。有特殊要求的状态点是指该状态点在整个飞行包线中起到非常重要的作用，需要对其单独重点设计。不同种类的飞行器对应的第三部分设计点各不相同，例如民用飞机巡航效率最高时对应的状态点、舰载机的起飞和着陆对应的状态点等。

最后得到的标称设计点即步骤四、五、六中得到的三部分标称设计点共同构成的集合。。

实施例：

本发明是一种假设某种飞行器具有如图2所示马赫数——高度飞行包线。由图2可得到该种飞行器能够定直平飞的高度区间，相应高度上存在着最大马赫数与最小马赫数。现需要针对该飞行器选择标称设计点。

根据本发明中的步骤一，在图2所示的飞行包线中取相当数量的状态点作为控制器标称设计点的备选点集合。因此分别以2Km为高度间隔和0.1为马赫数间隔，在图2所示飞行包线中确定100个备选点，如图3所示。

根据本发明中的步骤二，引入飞行迎角作为参量，构成以马赫数、高度和所述迎角为参量的备选点集合。将所有备选点的迎角变化范围设定为1°-5°，间隔1°。为了简明起见，本实施例不考虑不同马赫数和高度条件下的配平条件和迎角限制条件。引入飞行迎角作为参量后的备选点集合如图4所示。

根据本发明中的步骤三，以步骤二中确定的所述马赫数、所述高度和所述迎角为条件，计算出所述备选点集合中每个备选点对应的重要气动参数组成的集合。选定重要气动参数为飞行器纵向运动方程中的动力学系数

和

进行计算，其表达式为：

${\mathrm{\μ}}_z^{{\mathrm{\δ}}_e}=\frac{M_z^{{\mathrm{\δ}}_e}}{J_z}=\frac{m_z^{{\mathrm{\δ}}_e}\mathrm{\ρ}{v}_0^2\mathrm{Sl}}{2J_z}$

${\mathrm{\μ}}_z^{\mathrm{\α}}=\frac{M_z^{\mathrm{\α}}}{J_z}=\frac{m_z^{\mathrm{\α}}\mathrm{\ρ}{v}_0^2\mathrm{Sl}}{2J_z}$

其中各个符号的含义为：

ρ：给定高度下空气密度；

v₀：给定飞行条件下飞行器定直平飞的标称速度；

S：飞行器的参考面积；

l：飞行器的参考长度；

J_z：飞行器绕机体坐标系OZ轴的转动惯量；

给定飞行条件下飞行器纵向力矩系数对俯仰舵偏δ_e的导数；

给定飞行条件下飞行器纵向力矩系数对飞行迎角α的导数。

给定飞行条件指的是以2Km为高度间隔和0.1为马赫数间隔，在图2所示飞行包线中确定100个备选点对应的高度值和马赫数值。动力学系数

和

的计算结果如图5所示，图中横纵坐标分别为

和即两种动力学系数。

根据本发明中的步骤四，采用聚类方法对步骤三中得到的动力学系数

和

集合进行聚类，得到三个聚类后以每个聚类的中心作为所求标称设计点的第一部分。图6显示了对每个备选点的动力学系数

和

进行聚类后得到的结果。经过聚类运算后的三类备选点分别用“·”符号、“△”符号和“○”符号表示，每个聚类的中心点如图6中所标，将聚类中心点反映在马赫数——高度——迎角三维飞行包线中结果如图7。

根据本发明中的步骤五，将步骤一中得到的备选点集合以动力学系数

和为对应维度的坐标，构成一个二维几何平面，然后求出构成二维几何平面所对应的凸包顶点的所有备选点作为所求标称设计点的第二部分。图8显示了针对每个备选点的两个关键气动数据构成的二维几何平面求取凸包顶点示意图。二维几何平面对应的凸包为图8中用线段勾勒出的平面图形，而不是将处于二维几何体边界的点连接得到的平面图形。图8中用“○”符号表示的凸包的17个顶点对应的备选点即第二部分标称设计点，将其反映在马赫数——高度——迎角三维飞行包线后如图9中“△”符号所示。

根据本发明中的步骤六，将部分有特殊要求的状态点单独列出，作为标称设计点的第三部分。假设该种飞行器巡航效率最高处的飞行高度为10Km，马赫数为0.9，飞行迎角为2°，需要对该状态点控制器参数进行单独设计。因此将该点作为第三部分标称设计点，用“□”符号表示在图10中。

将通过本发明得到的全部标称设计点标在马赫数——高度——迎角三维飞行包线如图11。其中由聚类方法得出的标称设计点用“○”符号表示；由凸包顶点法得出的标称设计点用“△”符号表示；有特殊要求的标称设计点用“□”符号表示。

Claims (8)

1.一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：获取某种飞行器的马赫数——高度飞行包线，选取备选点，确定备选点坐标；

获取某种飞行器的马赫数——高度飞行包线，在飞行包线中确定作为控制器标称设计点备选点的集合，以马赫数和高度为每个备选点的坐标；

步骤二：引入飞行迎角作为飞行包线的第三维坐标，扩充备选点集合；

将飞行迎角引入作为第三维坐标，组成马赫数——高度——迎角三维飞行包线，在迎角维度上对步骤一中得到的备选点集合进行扩充，得到新的备选点集合；

步骤三：获取所有备选点的用户需要的气动参数；

结合风洞实验数据和计算流体力学软件模拟数据，以步骤二中确定的备选点坐标，即马赫数、高度和迎角为条件，计算出步骤二中所述新的备选点集合中所有备选点的用户需要的气动参数；

步骤四：确定标称设计点的第一部分；

采用聚类方法对步骤三中得到的所有备选点的气动参数进行聚类，求出每个聚类的中心作为标称设计点的第一部分；

步骤五：确定标称设计点的第二部分；

以步骤三中得到的所述气动参数的种类个数为维数、取值大小为坐标，建立多维正交坐标系，将步骤二中所述新的备选点集合对应至多维正交坐标系内，利用凸包分析方法获得包络所有备选点的空间几何体，将处于空间几何体边界上的所有备选点作为标称设计点的第二部分；

步骤六：确定标称设计点的第三部分；

将飞行器部分有特殊要求的状态点单独列出，作为所求标称设计点的第三部份，最后得到的标称设计点即步骤四、步骤五和步骤六三部分标称设计点共同构成的集合。

2.根据权利要求1所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，步骤一选取备选点的过程中，根据飞行包线中马赫数和高度的变化范围选择若干间隔点，并以马赫数间隔点和高度间隔点的所有组合作为备选点。

3.根据权利要求1或2所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，马赫数间隔取0.1～0.5，高度间隔取100米～2000米。

4.根据权利要求1所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，步骤二中所述引入飞行迎角作为飞行包线的第三维坐标的过程为，首先通过飞行器在配平关系以及限制条件下得到迎角变化范围，然后在此变化范围内确定迎角间隔点，得到若干个迎角间隔点作为备选点的第三维坐标。

5.根据权利要求1或4所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，迎角的间隔取0.5°～2°。

6.根据权利要求1所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，步骤二中所述扩充备选点集合的过程为，以迎角间隔点、马赫数间隔点和高度间隔点的所有组合作为新的备选点集合。

7.根据权利要求1所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，步骤三中所述的用户需要的气动参数为飞行器运动方程中的动力学系数。

8.根据权利要求1所述的一种飞行包线内标称设计点的选择方法，其特征在于，步骤四中聚类方法包括模糊聚类方法和动态聚类方法。

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