CN106774361A - 一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，将舰艉流作为飞行控制系统的干扰量，根据测得的甲板风信息和舰艉流模型及飞机的迎角、侧滑角变化，设计了雄鸡艉流的前馈控制方法、纵向舰艉流的前馈控制方法及侧向舰艉流的前馈控制方法分别对雄鸡艉流、纵向舰艉流和侧向舰艉流进行抑制；再结合反馈控制的方法对舰艉流进行进一步抑制，根据舰艉流对着舰轨迹的影响分别设计纵向航迹反馈回路和横向航迹反馈回路，纵向航迹反馈回路以飞行高度和下沉率作为反馈量，横向航迹反馈回路以飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，且在反馈控制系统中加入保持迎角恒定的动力补偿系统，使飞机在着舰过程中始终保持设定的迎角。本发明有利于提高舰载机着舰的成功率。

Description

一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑 制方法

技术领域

本发明涉及一种航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，用于抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹的影响，以提高着舰成功率，具体涉及一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法。

背景技术

高速舰载机着舰是一种精度要求极高的相对导航问题，由于航空母舰与舰载机间的相对速度较大，且二者运动在不同的介质中，具有不同的运动轨迹，加之要求沿指定方向在指定点“汇合”，因此舰载机着舰的难度大，风险高。此外，由甲板风产生的舰艉流也会对舰载机着舰产生很大的影响，单就舰艉流中的雄鸡艉流而言，如果舰载机飞行员不采取措施，就可能造成舰载机约2米的垂直着舰偏差和约39米的水平位置偏差，从而可能导致撞舰、坠海的严重事故。因此，舰艉流抑制技术是提高航母舰载机着舰安全性的关键技术之一。

目前对于航母舰载机着舰的舰艉流抑制技术的研究大多是针对飞控系统的优化，一是没有考虑舰艉流本身的特性及其对着舰轨迹的影响，抑制效果并不理想；二是飞控系统是基于反馈控制的，在时间上存在一定的滞后性，可能导致舰载机在着舰最后时刻出现位置偏差不满足着舰要求的情况，而此时留给飞行员的操纵时间很短，可能反应不及，因此对飞行员造成较沉重的心理负担，增大着舰事故发生的概率。针对上述问题，本发明提出了结合前馈控制和反馈控制来抑制舰艉流影响的方法，以提高着舰的安全性及成功率。

发明内容

本发明提出一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，将前馈控制和反馈控制相结合，有效抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹的影响，提高着舰的安全性及成功率。

本发明的技术解决方案：一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，将舰艉流作为飞行控制系统的干扰量，根据测得的甲板风信息和舰艉流模型及飞机的迎角、侧滑角变化，设计了雄鸡艉流的前馈控制方法、纵向舰艉流的前馈控制方法及侧向舰艉流的前馈控制方法分别对雄鸡艉流、纵向舰艉流和侧向舰艉流进行抑制；再结合反馈控制的方法对舰艉流进行进一步抑制，根据舰艉流对着舰轨迹的影响分别设计纵向航迹反馈回路和横向航迹反馈回路，纵向航迹反馈回路以飞行高度和下沉率作为反馈量，横向航迹反馈回路以飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，且在反馈控制系统中加入保持迎角恒定的动力补偿系统，使飞机在着舰过程中始终保持设定的迎角。

所述雄鸡艉流的前馈抑制方法为：所述雄鸡艉流是舰艉流各分量中对着舰高度偏差影响最大的部分，首先设计雄鸡艉流的前馈控制函数对雄鸡艉流进行抑制，大部分雄鸡艉流信息通过甲板风测量及舰艉流模型获得，根据扰动补偿原理，前馈函数G_b(s)满足如下关系式：

G_b(s)G_v(s)G₀(s)+G_f(s)＝0 (1)

式(1)中G_f(s)为干扰对飞机高度偏差影响的传递函数，G_v(s)G₀(s)为飞机模型传递函数。

所述纵向舰艉流的前馈抑制方法为：所述的纵向舰艉流存在随机性分量，无法直接进行计算或测量，纵向舰艉流主要通过改变飞机的迎角和动压，使飞机所受的力和力矩发生变化，造成高度偏差，其中迎角的改变是造成飞机纵向受力及力矩变化的主要原因；基于此将迎角偏差量Δα通过比例系数K₁、K₂分别生成指令作用到升降舵和襟翼上，实现前馈控制；为了使控制产生直接力的效果，其中比例系数K₁、K₂应满足式(2)，即使得两舵面位置变化仅产生合力的变化而不产生合力矩的变化，在式(2)的基础上，调节K₁、K₂，以得到所需要的抑制结果；

式(2)中，K₁、K₂为比例系数，分别为升降舵俯仰力矩导数、襟翼俯仰力矩导数，分别为升降舵升力导数、襟翼升力导数。

所述的侧向舰艉流的前馈抑制方法为：所述的侧向舰艉流主要通过改变飞机的侧滑角和动压，使飞机所受的力和力矩发生变化，造成侧向位置偏差，其中侧滑角的改变是造成飞机侧向受力及力矩变化的主要原因；基于此将侧滑角偏差量Δβ通过比例系数K₃、K₄分别生成指令作用到副翼和方向舵上，实现前馈控制；为了使控制产生直接力的效果，其中比例系数K₃、K₄应满足式(3)，即使得两舵面位置变化仅产生合力的变化而不产生合力矩的变化，在式(3)的基础上，调节K₃、K₄，以得到所需要的抑制结果；

式(3)中，K₃、K₄为比例系数，分别为副翼偏航力矩导数、方向舵偏航力矩导数，分别为副翼侧力导数、方向舵侧力导数。

所述的结合反馈控制的舰艉流抑制方法为：所述的反馈控制是基于非线性动态逆原理的方法进行设计的，将轨迹回路分成纵向和横向两个通道，其中纵向通道用飞行高度和下沉率作为反馈量，并令飞行高度和下沉率分别通过形如的传递函数，生成俯仰角θ的指令；横向通道用飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，并令飞机横向偏移和横向移动速率分别通过形如的传递函数生成偏航角ψ的指令。

所述的保持迎角恒定的动力补偿系统：所述的保持迎角恒定的动力补偿系统APCS|_Δα＝0是将飞机迎角偏差Δα和法向加速度n_z信息通过传递函数生成油门指令，调节发动机推力ΔT，使飞机的航迹倾斜角变化量Δγ能够对俯仰角变化量Δθ_cmd有快速精确的跟踪能力，从而使得飞机在着舰时，始终保持设计的迎角α₀。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对于航母舰载机着舰的舰艉流抑制技术，大多研究是针对飞控系统的优化，没有考虑舰艉流本身的特性以及它对着舰轨迹的影响。本发明从分析舰艉流自身特性及它对着舰轨迹的影响原理出发，提出了在传统反馈控制的基础上，结合前馈控制来抑制舰艉流的影响。

(2)反馈控制在时间上存在一定的滞后性，可能导致舰载机在着舰最后时刻出现着舰位置偏差不满足着舰要求的情况，而此时留给飞行员的操纵时间很短，可能反应不及，因此对飞行员造成较沉重的心理负担，增大着舰事故发生的概率。本发明提出的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，具有反应快，抑制效果好的特点，显著减小了着舰时的位置偏差，有利于提高着舰的成功率。

附图说明

图1为本发明的前馈和反馈复合控制原理图；

图2为本发明的反馈控制回路原理图；

图3为本发明的保持迎角恒定的动力补偿系统原理图；

图4为本发明的仿真平台数据流图；

图5为本发明实施例中前馈控制对舰艉流稳态分量的抑制效果图；

图6为本发明实施例中有前馈和无前馈舰艉流抑制方法的效果对比图，其中(a)和(b)分别为两次仿真的结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，详细介绍本发明方法。

本发明是一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，如图1所示，该方法将前馈控制和反馈控制相结合，抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹的影响。一方面将舰艉流作为飞行控制系统的干扰量，根据测得的甲板风信息和舰艉流模型及飞机的迎角、侧滑角变化，设计了雄鸡艉流的前馈控制方法、纵向舰艉流的前馈控制方法及侧向舰艉流的前馈控制方法分别对雄鸡艉流、纵向舰艉流和侧向舰艉流进行抑制；再结合反馈控制的方法对舰艉流进行进一步抑制，根据舰艉流对着舰轨迹的影响分别设计纵向航迹反馈回路和横向航迹反馈回路，纵向航迹反馈回路以飞行高度和下沉率作为反馈量，横向航迹反馈回路以飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，且在反馈控制系统中加入保持迎角恒定的动力补偿系统APCS|_Δα＝0，使飞机在着舰过程中始终保持设定的迎角。基于上述原理，在Simulink中建立仿真平台，对本发明提出的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法进行仿真验证。具体各部分的实现过程如下所示。

1、雄鸡艉流是舰艉流各分量中对着舰高度偏差影响最大的部分，因此首先设计雄鸡艉流的前馈控制函数对其进行抑制。大部分雄鸡艉流信息可通过甲板风测量及舰艉流模型获得，根据扰动补偿原理，前馈函数G_b(s)应满足如下关系式：

G_b(s)G_v(s)G₀(s)+G_f(s)＝0 (1)

其中，G_f(s)为干扰对飞机高度偏差影响的传递函数，G_v(s)G₀(s)为飞机模型传递函数。

将式(2)代入式(1)计算得到的G_b(s)，是一个七阶系统，实际难以实现，因此对G_b(s)进行零极点相消的降阶处理，在消去近似的零极点后，G_b(s)可简化为形如的形式，将该简化形式代入式(1)(2)，利用最小二乘法解得a＝-2.8,b＝-3.2。

由于计算得到的G_f(s)和G_v(s)G₀(s)存在一定误差，抑制效果不是十分理想。考虑到飞机纵向通道上的控制面除了升降舵外还有襟翼等，为了进一步提高前馈控制效果，引入了襟翼和副襟翼作为作动器，根据上述的G_b(s)设计经验，将雄鸡艉流通过形如的传递函数生成指令，从而进一步提高对高度偏差的抑制效果。

2、纵向舰艉流存在随机性分量，无法直接进行计算或测量。由于纵向舰艉流主要通过改变飞机的迎角和动压，使飞机所受的力和力矩发生变化，造成高度偏差，其中，迎角的改变是造成飞机纵向受力及力矩变化的主要原因。基于此将迎角偏差量Δα通过比例系数K₁、K₂分别生成指令作用到升降舵和襟翼上，实现前馈控制。为了使控制产生直接力的效果，其中，比例系数K₁、K₂应满足式(3)，即使得两舵面位置变化仅产生合力的变化而不产生合力矩的变化。在式(3)的基础上，调节K₁、K₂，可得到较为理想的抑制结果。

式(3)中，K₁、K₂为比例系数，分别为升降舵俯仰力矩导数、襟翼俯仰力矩导数，分别为升降舵升力导数、襟翼升力导数。

3、侧向舰艉流对舰载机着舰轨迹影响原理与纵向舰艉流类似，侧向舰艉流主要通过改变飞机的侧滑角和动压，使飞机所受的力和力矩发生变化，造成侧向位置偏差，其中，侧滑角的改变是造成飞机侧向受力及力矩变化的主要原因，基于此将侧滑角偏差量Δβ通过比例系数K₃、K₄分别生成指令作用到副翼和方向舵上，实现前馈控制。为了使控制产生直接力的效果，比例系数K₃、K₄应满足式(4)，在式(4)的基础上，调节K₃、K₄，可得到较为理想的抑制结果。

式(4)中，K₃、K₄为比例系数，分别为副翼偏航力矩导数、方向舵偏航力矩导数，分别为副翼侧力导数、方向舵侧力导数。

4、反馈控制是基于非线性动态逆原理的方法进行设计的，将轨迹回路分成纵向和横向两个通道，其中纵向通道用飞行高度和下沉率作为反馈量，令飞行高度和下沉率分别通过形如的传递函数，生成俯仰角θ的指令，横向通道用飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，令飞机横向偏移和横向移动速率分别通过形如的传递函数生成偏航角ψ的指令。

根据舰载机各物理量的响应速率，将反馈系统分为从内到外三个回路：角速度回路，姿态角回路以及航迹回路，如图2所示为反馈控制回路示意图。将飞机动力学方程中旋转角速度p、q、r的微分方程改写为如下形式：

式(5)中的p、q、r分别为飞机的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，δ_a、δ_e、δ_r分别为飞机的副翼偏转角、升降舵偏转角和方向舵偏转角，f_p(x)、f_q(x)、f_r(x)分别代表滚转角速度p、俯仰角速度q、偏航角速度r的非线性状态反馈函数，g_p(x)、g_q(x)、g_r(x)分别代表作动器(副翼、升降舵和方向舵)对滚转角速度p、俯仰角速度q、偏航角速度r的控制向量。

根据式(5)可以解出δ_a、δ_e、δ_r的控制律。

同理，将飞机运动学方程中姿态角φ、θ、ψ(滚转角、俯仰角、偏航角)的微分方程改写成如下形式：

式(6)中φ、θ、ψ分别为飞机的滚转角、俯仰角、偏航角，p、q、r分别为飞机的滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度，f_φ(x)、f_θ(x)、f_ψ(x)分别代表滚转角φ、俯仰角θ、偏航角ψ的非线性状态反馈函数，g_φ(x)、g_θ(x)、g_ψ(x)分别代表角速度p、q、r对滚转角φ、俯仰角θ、偏航角ψ的控制向量。

根据式(6)可以得到角速度p、q、r的控制律。

5、保持迎角恒定的动力补偿系统(APCS|_Δα＝0)是将飞机迎角偏差Δα和法向加速度n_z信息通过传递函数生成油门指令，调节发动机推力ΔT，使飞机的航迹倾斜角变化量Δγ能够对俯仰角变化量Δθ_cmd有快速精确的跟踪能力，从而使得飞机在着舰时，始终保持设计的迎角α₀。保持迎角恒定的动力补偿系统(APCS|_Δα＝0)的原理图如图3所示。

6、建立Simulink仿真平台，对本发明提出的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法进行仿真验证。平台由飞机运动模块、舰船运动模块、相对位姿解算模块、抑制算法模块和舰艉流模块组成。飞机运动模块采用Simulink提供的六自由度飞机运动模型，将参数设置为美军F-14战斗机的各项参数，输入量为飞机所受合力及合力矩，输出量为飞机空速、旋转角速度、姿态角等物理量。舰船运动模块以尼米兹级航母作为模型，输出量为理想着舰点的沉浮、纵摇等物理量。仿真平台的数据流图如图4所示。

仿真实例中，甲板风大小为15m/s,航母速度为10m/s，控制系统中所使用的物理量，例如飞机速度、姿态角等，是通过舰载机上传感器、导航设备以及航母上设备得到的，具有一定的误差。仿真中加入了随机常值误差和白噪声误差，其中随机常值误差由器件精度决定，各量测值测量精度如表1所示。

表1各量测值测量精度

图5为未加入前馈控制、加入升降舵前馈控制、加入升降舵和襟翼及副襟翼前馈控制的舰艉流抑制效果对比图。可以看出，加入升降舵、襟翼及副襟翼前馈控制的抑制效果最好，使得着舰轨迹的高度偏差由最大1米左右降为最大不超过0.2米，其变化剧烈程度明显减小，且着舰时的高度位置偏差由约0.2米降为不超过0.01米，高度偏差明显减小。

图6为加入前馈控制和仅有反馈控制的条件下，舰载机实际飞行轨迹与理想飞行轨迹的偏差(包括高度偏差及侧向偏差)随时间变化曲线图((a),(b)两次仿真的结果)。可以看出，在加入前馈控制后，舰载机在着舰过程中的最大高度偏差由约1米降到了约0.3米，最大侧向偏差由约0.3米降到0.05米以下，且高度偏差和侧向偏差的变化剧烈程度减小。

表2为10次仿真舰载机着舰点的位置偏差情况。通过采用本发明的方法与传统反馈控制方法的偏差抑制效果相比较，可以看出，本发明提出的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法使舰载机着舰点的高度偏差由平均约-0.3米降到了-0.05米以下，侧向偏差由平均约0.1米降到0.05米以下，舰载机最终着舰时的位置偏差明显减小。仿真试验结果验证了本发明提出的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法的有效性。

表2舰载机着舰时位置偏差

总之，本发明相比于传统的反馈控制，前馈和反馈复合控制能够更好地抑制舰艉流对舰载机着舰轨迹的影响，降低舰载机轨迹偏差变化的剧烈程度，减小着舰时的位置偏差，有利于减轻飞行员的操纵负担，提高着舰的成功率。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，其特征在于：将舰艉流作为飞行控制系统的干扰量，根据测得的甲板风信息和舰艉流模型及飞机的迎角、侧滑角变化，设计了雄鸡艉流的前馈控制方法、纵向舰艉流的前馈控制方法及侧向舰艉流的前馈控制方法分别对雄鸡艉流、纵向舰艉流和侧向舰艉流进行抑制；再结合反馈控制的方法对舰艉流进行进一步抑制，根据舰艉流对着舰轨迹的影响分别设计纵向航迹反馈回路和横向航迹反馈回路，纵向航迹反馈回路以飞行高度和下沉率作为反馈量，横向航迹反馈回路以飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，且在反馈控制系统中加入保持迎角恒定的动力补偿系统，使飞机在着舰过程中始终保持设定的迎角。

2.根据权利要求1所述的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，其特征在于：所述雄鸡艉流的前馈抑制方法为：所述雄鸡艉流是舰艉流各分量中对着舰高度偏差影响最大的部分，首先设计雄鸡艉流的前馈控制函数对雄鸡艉流进行抑制，大部分雄鸡艉流信息通过甲板风测量及舰艉流模型获得，根据扰动补偿原理，前馈函数G_b(s)满足如下关系式：

G_b(s)G_v(s)G₀(s)+G_f(s)＝0 (1)

式(1)中G_f(s)为干扰对飞机高度偏差影响的传递函数，G_v(s)G₀(s)为飞机模型传递函数。

3.根据权利要求1所述的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，其特征在于：所述纵向舰艉流的前馈抑制方法为：所述的纵向舰艉流存在随机性分量，无法直接进行计算或测量，纵向舰艉流主要通过改变飞机的迎角和动压，使飞机所受的力和力矩发生变化，造成高度偏差，其中迎角的改变是造成飞机纵向受力及力矩变化的主要原因；基于此将迎角偏差量Δα通过比例系数K₁、K₂分别生成指令作用到升降舵和襟翼上，实现前馈控制；为了使控制产生直接力的效果，其中比例系数K₁、K₂应满足式(2)，即使得两舵面位置变化仅产生合力的变化而不产生合力矩的变化，在式(2)的基础上，调节K₁、K₂，以得到所需要的抑制结果；

$\left\{\begin{array}{c}{K}_1{C}_{{\mathrm{M\δ}}_e}+K_2{C}_{{\mathrm{M\δ}}_f}=0\\ K_1{C}_{{\mathrm{L\δ}}_e}+K_2{C}_{{\mathrm{L\δ}}_f}\≠0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，K₁、K₂为比例系数，分别为升降舵俯仰力矩导数、襟翼俯仰力矩导数，分别为升降舵升力导数、襟翼升力导数。

4.根据权利要求1所述的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，其特征在于：所述的侧向舰艉流的前馈抑制方法为：所述的侧向舰艉流主要通过改变飞机的侧滑角和动压，使飞机所受的力和力矩发生变化，造成侧向位置偏差，其中侧滑角的改变是造成飞机侧向受力及力矩变化的主要原因；基于此将侧滑角偏差量Δβ通过比例系数K₃、K₄分别生成指令作用到副翼和方向舵上，实现前馈控制；为了使控制产生直接力的效果，其中比例系数K₃、K₄应满足式(3)，即使得两舵面位置变化仅产生合力的变化而不产生合力矩的变化，在式(3)的基础上，调节K₃、K₄，以得到所需要的抑制结果；

$\left\{\begin{array}{c}{K}_3{C}_{{\mathrm{N\δ}}_a}+K_4{C}_{{\mathrm{N\δ}}_r}=0\\ K_3{C}_{{\mathrm{Y\δ}}_a}+K_4{C}_{{\mathrm{Y\δ}}_r}\≠0\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，K₃、K₄为比例系数，分别为副翼偏航力矩导数、方向舵偏航力矩导数，分别为副翼侧力导数、方向舵侧力导数。

5.根据权利要求1所述的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，其特征在于：所述的结合反馈控制的舰艉流抑制方法为：所述的反馈控制是基于非线性动态逆原理的方法进行设计的，将轨迹回路分成纵向和横向两个通道，其中纵向通道用飞行高度和下沉率作为反馈量，并令飞行高度和下沉率分别通过形如的传递函数，生成俯仰角θ的指令；横向通道用飞机横向偏移和横向移动速率作为反馈量，并令飞机横向偏移和横向移动速率分别通过形如的传递函数生成偏航角ψ的指令。

6.根据权利要求1所述的基于前馈和反馈复合控制的航母舰载机着舰的舰艉流抑制方法，其特征在于：所述的保持迎角恒定的动力补偿系统：所述的保持迎角恒定的动力补偿系统APCS|_Δα＝0是将飞机迎角偏差Δα和法向加速度n_z信息通过传递函数生成油门指令，调节发动机推力ΔT，使飞机的航迹倾斜角变化量Δγ能够对俯仰角变化量Δθ_cmd有快速精确的跟踪能力，从而使得飞机在着舰时，始终保持设计的迎角α₀。