CN105759630B - 基于模糊pid控制的飞机4d航迹仿真系统及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法。系统包括数据库服务器和供人机交互的微型计算机，数据库服务器通过数字网络与微型计算机相连。本发明优点：综合考虑飞机性能、飞行程序和大气环境影响飞行的因素，建立航迹仿真系统，有利于提高仿真航迹的精确度。当仿真航迹精度满足一定要求，依据仿真得到的3D航径和保护区在空中铺画运行的通道，从空域设计上保证飞机不会产生侧向和垂直方向碰撞风险，依靠先进的机载设备和导航系统，提供给机组更大的自主权利，使航空器运行组织和飞行管制指挥的负荷降低，将航班延误水平控制在旅客可接受的范围内，降低航班延误的发生率，从而能够为机场旅客提供更为优质的航空运输服务。
Description
技术领域
本发明属于4D航迹仿真系统建模技术领域，特别是涉及一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法。
背景技术
近年来，随着全球经济的不断发展，民航飞机数量的不断增加，飞行流量也在不断加大，航空运输量的快速增长客观上要求民用航空的建设和管理与之相适应。作为美国经济的基础，民用航空一直是美国经济增长的催化剂并对日常生活有着深远的影响，并且预计在未来的二十年内将会增长150％到250％，即使采用保守的方法进行估计，现有的和计划容量根本不能满足增长的需求。为此为保证下一代美国空中运输体系可以符合航空运输对安全、可靠、简便、高效及容量的需求，美国成立了由交通部、联邦航空局等七大政府机构组织组成的联合项目办公室(JPDO)，推出了面对2025年美国的《下一代空中运输体系》(Next Generation Air Transportation System，简称NGATS)。
基于航迹的运行管理成为未来空管的发展趋势，依据预报的飞行航径中的各点空间位置(经度、纬度和高度)和时间，可以显著地减少航空器航径的不确定性，提高空域和机场资源的利用率与安全性，4D航迹预测和面向航迹的运行作为一项未来空域运行实施的基础关键技术，是下一代空管自动化系统、飞行流量管理系统等系统的核心部件。以航迹推测系统按照推测时间后推的长度可以分为:预战术航迹推测(在飞机起飞之前数个小时对飞行过程的模拟)和战术航迹推测(对飞机在未来几分钟之内航迹的推测)。
建立飞机预战术4D航迹预测的数学模型有两种基本方法:一种方法是基于历史飞行数据挖掘的航迹推测，该方法不依赖于空气动力学和牛顿力学模型，也不需要获取飞机的动力学参数，主要通过对大量的实际飞行数据进行统计分析来进行航迹推测，因此称为系统辨识法或试验分析法；另一种方法是根据飞行控制系统内部的运动规律，从飞机运行的水平剖面、垂直剖面和速度剖面着手分析不同航段上各种变量间的因果关系而建立起来的航空器飞行控制的数学模型，再综合考虑影响飞行的各种要素仿真来获得飞行航迹，这种方法称为机理建模或理论分析法。
在飞行控制系统的设计中有两个最重要的环节，即控制系统的数学模型设计和控制器的整定。对于一个系统的分析，其结果的准确程度主要取决于数学模型对给定物理系统的近似程度，在推导数学模型的过程中，必须根据具体要求，恰当地处理好模型简化和分析结果准确性之间的关系。在控制系统的运动机理、内部规律比较了解的情况下，适合应用机理建模法。用这种方法建立的数学模型，能科学地揭示系统内部及外部的客观规律，因而代表性强，适应面广。
在众多的飞行控制仿真模型中，欧洲航行安全组织的航空器基本性能数据库BADA模型和FAA的六自由度模型应用最为广泛。随着4D航迹技术的研究不断深入，飞行系统内部及外部的客观规律会被逐渐揭示，基于机理建模的方法会更具实用价值。
依据六自由度飞行控制模型建立飞机纵向控制的数学模型，结合PID控制和模糊控制，设计模糊PID自适应控制器，实现仿真过程中自适应PID参数调节，改善被控模型的动态性能和稳态性能，与PID进行对比验证，仿真得到的航迹将会具有更高的精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统包括：数据库服务器和供人机交互的微型计算机，其中：数据库服务器通过数字网络与微型计算机相连。
所述的数据库服务器为安装有SQL Server2008的机柜式服务器，微型计算机为搭载有微软Windows XP或者Windows Win7操作系统的微型计算机，数字网络为本系统内部网络。
本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统的仿真方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤1)在数据库服务器A中建立数据库的S01阶段：利用数据库服务器A从各大航空运输信息网站和民航局报告文件中获得包括某航班的航班计划、航路数据和飞行程序在内的飞行数据，对上述飞行数据进行标准化处理，获得能够表征全部航迹特征的坐标定位点信息，建立导航数据库；从欧洲航行安全组织的航空器基本性能数据库中查询执行该航班的机型，获得性能参数和机型数据信息，建立性能数据库；整理航路上气象报文和机场气象预报，提取其中包括风向、风速和温度在内的气象数据，建立气象数据库；
步骤2)获取飞行操作指令的S02阶段：在数据库服务器中，使用上述导航数据库和性能数据库，计算飞机运行的具体操作数据，获取飞行操作指令并进行存储，然后与气象数据库中的气象数据一起通过数字网络传输给微型计算机；
步骤3)根据飞行操作指令生成飞机的气动力和偏转力矩数据的S03阶段：在微型计算机B中，根据上述输入的飞行操作指令建立航空器动力学子模型，并利用该模型计算出飞机平动作用力和转动作用力矩，实现飞机操作指令与飞机平动作用力及转动作用力矩数据之间的传递和转换；
步骤4)生成飞机航迹信息数据的S04阶段：利用S03阶段中生成的飞机平动作用力和转动作用力矩数据以及由数字网络传输给微型计算机的气象数据，建立航空器运动学子模型,并利用该子模型生成飞行速度、飞行高度、飞行时间和航向角度数据，然后将上述数据通过直角坐标与经纬度转换计算得到飞机航迹的经纬度坐标数据；由经纬度坐标数据、飞行高度和飞行时间共同组成飞机航迹信息数据；
步骤5)绘制航空器仿真航迹图的S05阶段：将上述飞机航迹信息数据中的经纬度坐标数据和飞行高度数据使用vrbuild2软件绘制出航迹三维立体图，以体现航迹的空间属性；为了更好地呈现飞行时间信息，将经纬度坐标信息转换为飞行距离信息，以飞行距离为纵坐标、飞行时间为横坐标，绘制距离时间图，以体现航迹的时间属性。
在S02阶段中，所述的计算飞机运行的具体操作数据的方法为：当使用起飞机场某一跑道的离场程序时，根据飞机性能包线限制和起飞机场运行环境计算得到起飞和爬升阶段的推力控制数据及飞机构型的操作数据，编译成操作指令；使用航路数据和微型计算机中的大气环境子模型，计算飞机巡航所需的操作数据；使用目的机场的进场程序和进近程序，结合大气环境数据，计算飞机下降和着陆阶段的操作数据。
在S04阶段中，所述的建立航空器运动学子模型的方法为：在飞机所受的气动力和重力计算模型的基础上，考虑惯性坐标系和飞机体坐标系之间的转换，建立航空器运动学子模型，包括航空器的水平运动模块和转动模块。
本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法的优点：综合考虑飞机性能、飞行程序和大气环境影响飞行的因素，建立航迹仿真系统，有利于提高仿真航迹的精确度。当仿真航迹精度满足一定要求，依据仿真得到的3D航径和保护区在空中铺画运行的通道，从空域设计上保证飞机不会产生侧向和垂直方向碰撞风险，依靠先进的机载设备和导航系统，提供给机组更大的自主权利，使航空器运行组织和飞行管制指挥的负荷降低，将航班延误水平控制在旅客可接受的范围内，降低航班延误的发生率，从而能够为机场旅客提供更为优质的航空运输服务。
附图说明
图1为本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统结构示意图。
图2为在微型计算机B中建立的飞机4D航迹仿真模型结构图。
图3为本发明提供的本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统包括：数据库服务器A和供人机交互的微型计算机B，其中：数据库服务器A通过数字网络L与微型计算机B相连。
所述的数据库服务器A为安装有SQL Server2008的机柜式服务器，微型计算机B为搭载有微软Windows XP或者Windows Win7操作系统的微型计算机，数字网络L为本系统内部网络。
在所述的数据库服务器A中能够对采集的信息进行标准化处理，生成仿真所需的飞机运行数据，并建立相关的数据库，所述的数据库包括：导航数据库，存储飞行程序和航路信息，提供用于导航的数据信息；性能数据库，存储飞机性能参数和机型数据信息，提供包括飞机的推力系数、升力系数、燃油流率在内的数据信息；气象数据库，存储不同飞行高度层的风向风速等信息。
在所述的微型计算机B中能够建立飞机4D航迹仿真模型，飞机4D航迹仿真模型包括4个子模型，如图2所示，10000_6DOF子模型表示航空器运动学模型，功能是利用物理运动学定律，对飞机所受的气动力和重力进行受力分解,计算得到包括飞机的速度、位移、爬升角和航向角度在内的信息；20000_Force&Pilot Model子模型表示航空器动力学子模型，功能是生成飞机所受的作用力信息，包括飞机的推力大小，升阻力信息和受燃油消耗影响的飞机重量信息；30000_Mach&Pt子模型表示计算马赫数和动压的子模块，生成飞机的气动参数；40000_BADA environment子模型表示大气环境子模型，功能是计算包括不同飞行高度层的温度、压强和密度在内的大气数据。飞机4D航迹仿真模型的输出信息是：时间信息、速度信息、距离信息、航向角度和爬升角度信息。
如图3所示，本发明提供的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤1)在数据库服务器A中建立数据库的S01阶段：利用数据库服务器A从各大航空运输信息网站和民航局报告文件中获得包括某航班的航班计划、航路数据和飞行程序在内的飞行数据，对上述飞行数据进行标准化处理，获得能够表征全部航迹特征的坐标定位点信息，建立导航数据库；从欧洲航行安全组织的航空器基本性能数据库(BADA)中查询执行该航班的机型，获得性能参数和机型数据信息，建立性能数据库；整理航路上气象报文和机场气象预报，提取其中包括风向、风速和温度在内的气象数据，建立气象数据库；
步骤2)获取飞行操作指令的S02阶段：在数据库服务器A中，使用上述导航数据库和性能数据库，计算飞机运行的具体操作数据，获取飞行操作指令并进行存储，然后与气象数据库中的气象数据一起通过数字网络L传输给微型计算机B；
步骤3)根据飞行操作指令生成飞机的气动力和偏转力矩数据的S03阶段：在微型计算机B中，根据上述输入的飞行操作指令建立航空器动力学子模型，并利用该模型计算出飞机平动作用力和转动作用力矩，实现飞机操作指令与飞机平动作用力及转动作用力矩数据之间的传递和转换；
步骤4)生成飞机航迹信息数据的S04阶段：利用S03阶段中生成的飞机平动作用力和转动作用力矩数据以及由数字网络L传输给微型计算机B的气象数据，建立航空器运动学子模型,并利用该子模型生成飞行速度、飞行高度、飞行时间和航向角度数据，然后将上述数据通过直角坐标与经纬度转换计算得到飞机航迹的经纬度坐标数据；由经纬度坐标数据、飞行高度和飞行时间共同组成飞机航迹信息数据；
步骤5)绘制航空器仿真航迹图的S05阶段：将上述飞机航迹信息数据中的经纬度坐标数据和飞行高度数据使用vrbuild2软件绘制出航迹三维立体图，以体现航迹的空间属性；为了更好地呈现飞行时间信息，将经纬度坐标信息转换为飞行距离信息，以飞行距离为纵坐标、飞行时间为横坐标，绘制距离时间图，以体现航迹的时间属性。
在S02阶段中，所述的计算飞机运行的具体操作数据的方法为：当使用起飞机场某一跑道的离场程序时，根据飞机性能包线限制和起飞机场运行环境计算得到起飞和爬升阶段的推力控制数据及飞机构型的操作数据，编译成操作指令；使用航路数据和微型计算机B中的大气环境子模型，计算飞机巡航所需的操作数据；使用目的机场的进场程序和进近程序，结合大气环境数据，计算飞机下降和着陆阶段的操作数据。
在S04阶段中，所述的建立航空器运动学子模型的方法为：在飞机所受的气动力和重力计算模型的基础上，考虑惯性坐标系和飞机体坐标系之间的转换，建立航空器运动学子模型，包括航空器的水平运动模块和转动模块。
Claims (3)
1.一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统的仿真方法，所述的基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统包括：数据库服务器(A)和供人机交互的微型计算机(B)，其中：数据库服务器(A)通过数字网络(L)与微型计算机(B)相连；
其特征在于：所述的仿真方法包括按顺序执行的下列步骤：
步骤1)在数据库服务器(A)中建立数据库的S01阶段：利用数据库服务器(A)从各大航空运输信息网站和民航局报告文件中获得包括某航班的航班计划、航路数据和飞行程序在内的飞行数据，对上述飞行数据进行标准化处理，获得能够表征全部航迹特征的坐标定位点信息，建立导航数据库；从欧洲航行安全组织的航空器基本性能数据库中查询执行该航班的机型，获得性能参数和机型数据信息，建立性能数据库；整理航路上气象报文和机场气象预报，提取其中包括风向、风速和温度在内的气象数据，建立气象数据库；
步骤2)获取飞行操作指令的S02阶段：在数据库服务器(A)中，使用上述导航数据库和性能数据库，计算飞机运行的具体操作数据，获取飞行操作指令并进行存储，然后与气象数据库中的气象数据一起通过数字网络(L)传输给微型计算机(B)；
步骤3)根据飞行操作指令生成飞机的气动力和偏转力矩数据的S03阶段：在微型计算机(B)中，根据上述飞行操作指令建立航空器动力学子模型，并利用该模型计算出飞机平动作用力和转动作用力矩，实现飞机操作指令与飞机平动作用力及转动作用力矩数据之间的传递和转换；
步骤4)生成飞机航迹信息数据的S04阶段：利用S03阶段中生成的飞机平动作用力和转动作用力矩数据以及由数字网络(L)传输给微型计算机(B)的气象数据，建立航空器运动学子模型,并利用该子模型生成飞行速度、飞行高度、飞行时间和航向角度数据，然后将上述数据通过直角坐标与经纬度转换计算得到飞机航迹的经纬度坐标数据；由经纬度坐标数据、飞行高度和飞行时间共同组成飞机航迹信息数据；
步骤5)绘制航空器仿真航迹图的S05阶段：将上述飞机航迹信息数据中的经纬度坐标数据和飞行高度数据使用vrbuild2软件绘制出航迹三维立体图，以体现航迹的空间属性；为了更好地呈现飞行时间信息，将经纬度坐标信息转换为飞行距离信息，以飞行距离为纵坐标、飞行时间为横坐标，绘制距离时间图，以体现航迹的时间属性。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于：在S02阶段中，所述的计算飞机运行的具体操作数据的方法为：当使用起飞机场某一跑道的离场程序时，根据飞机性能包线限制和起飞机场运行环境计算得到起飞和爬升阶段的推力控制数据及飞机构型的操作数据，编译成操作指令；使用航路数据和微型计算机(B)中的大气环境子模型，计算飞机巡航所需的操作数据；使用目的机场的进场程序和进近程序，结合大气环境数据，计算飞机下降和着陆阶段的操作数据。
3.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于：在S04阶段中，所述的建立航空器运动学子模型的方法为：在飞机所受的气动力和重力计算模型的基础上，考虑惯性坐标系和飞机体坐标系之间的转换，建立航空器运动学子模型，包括航空器的水平运动模块和转动模块。
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