CN117341960A - 一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统及方法，属于多操纵面飞机控制领域，本发明方法包括阵风减缓控制律、阵风减缓控制律启闭逻辑和减缓舵面（扰流板、襟翼）分配逻辑；此方法作为顶层结构叠加在飞机原有的控制系统中，采用直接升力控制方法可以在不改变飞机俯仰姿态情况下，大大减小阵风对飞机的过载，可以快速抵消阵风影响，本发明的系统具有开启后对飞机姿态改变小，关闭后不影响飞机正常飞行的优点，同时直接升力控制方法可以减小舵面偏转产生附加力矩，使飞行轨迹稳定。

Description

一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统及方法

技术领域

本发明属于多操纵面飞机控制领域，具体涉及一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统及方法。

背景技术

现代飞机为了更高的经济性、更低的耗油率，往往会在气动外形上设计成大展弦比来获得更高的升阻比。但与此同时还需考虑大展弦比带来的强度问题，飞机在空中飞行的时候，不可避免会遭遇严重程度不同的阵风，阵风对飞机影响较大，在大展弦比飞机上尤其突出；阵风会加剧翼根载荷的变化，造成俯仰振荡的同时还会降低乘坐品质，短时间的阵风便可以造成主要承载件的疲劳损伤，缩短飞机的飞行寿命，因此有必要研究如何减小飞机飞行中阵风带来的影响。

发明内容

本发明提供一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统及方法，解决现有技术中飞机在阵风情况下容易出现过载增大的问题，同时提供了舵面分配方法，从而提高多操纵面飞机的稳定性和控制性能。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统，包括：操纵面、传感器、阵风减缓控制器、分配器、自抗扰控制器；

所述操纵面用于控制飞机姿态，所述操纵面包括副翼，升降舵，方向舵，扰流板，襟翼，其中扰流板和襟翼为直接升力舵面；所述传感器用于检测飞机姿态，并将检测的俄飞机姿态信号传输给自抗扰控制器；所述自抗扰控制器计算出舵面控制指令；所述分配器用于根据计算出的控制指令分配给操纵面；所述阵风减缓控制器用于响应直接升力舵面控制指令；所述直接升力舵面用于减小舵面偏转引起的俯仰力矩，所述自抗扰控制器用于实现自抗扰控制；

所述直接升力舵面的位置和尺寸可以根据飞机的设计参数和实际工作状态进行调整，可以是前缘襟翼、后缘襟翼或是多个舵面的组合，或任何其他能够产生升力的舵面，以便快速响应和减小俯仰力矩；

所述自抗扰控制器可以根据实时测量的飞机过载和目标过载来计算出舵面控制指令，以实现对飞机过载的精确控制同时抵消阵风引起的过载变化

一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制方法，包括以下步骤：

S1、采用闭环的阵风减缓控制方案，并设计了直接升力阵风减缓控制系统，采用襟翼和扰流板两种直接力舵面作为飞机的阵风减缓舵面，并根据自抗扰控制方法设计了直接升力阵风减缓控制律；

S2、针对多操纵面的过驱动系统设计了阵风减缓控制下的控制分配方法，将襟翼和扰流板作为直接升力舵面，分配器将控制器输出的指令分配到操纵面，提高舵面的偏转效率。

有益效果：本发明提供了一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统及方法，本发明方法包括阵风减缓控制律、阵风减缓控制律启闭逻辑和减缓舵面(扰流板、襟翼)分配逻辑；多个操纵面的舵面控制指令由自抗扰控制器给定并进行分配，能够实现最佳的舵面控制效果；本发明使用直接升力舵面和自抗扰控制，采用直接升力控制方法可以在不改变飞机俯仰姿态情况下，大大减小阵风对飞机的过载，可以快速抵消阵风影响，提高飞机的控制效率和稳定性，所述系统的优点在于能够快速跟踪过载，并减小舵面偏转引起的俯仰力矩，有效解决大展弦比飞机在阵风中受到干扰时出现过载值和角速度等状态量突变的问题，提高了飞机在阵风中的安全性和稳定性；而且本发明的系统具有开启后对飞机姿态改变小，关闭后不影响飞机正常飞行的优点，同时直接升力控制方法可以减小舵面偏转产生附加力矩，使飞行轨迹稳定。

附图说明

图1为本发明实施例中阵风减缓控制方法示意图；

图2为本发明实施例中飞机舵面示意图；

图3为本发明实施例中阵风减缓控制系统布局示意图；

图4为本发明实施例中飞机过载响应图；

图5为本发明实施例中飞机高度响应图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制方法，包括以下步骤：

S1、采用闭环的阵风减缓控制方案，并设计直接升力阵风减缓控制系统，采用襟翼和扰流板两种直接力舵面作为飞机的阵风减缓舵面，并根据自抗扰控制方法设计直接升力阵风减缓控制律；

S2、针对多操纵面的过驱动系统设计阵风减缓控制下的控制分配方法，将襟翼和扰流板作为直接升力舵面，分配器将控制器输出的指令分配到操纵面，提高舵面的偏转效率。

考虑纵向小扰动的矩阵形式，可以获得短周期近似方程，并且阵风在短周期模态中体现的更为剧烈，短周期状态方程简化如下：

其中A_z为法向加速度，Z_δ＝[Z_e,Z_flap,Z_sp]为操纵导数，δ＝[δ_e,δ_flap,δ_sp]^T为舵面的偏转角度，为阵风对过载的不确定估计，V为真空速；

对式求导得：

将式中的代入式中可得

飞机在阵风中的气动参数变化是剧烈的，特别是含有迎角项的Z_α，因此将其作为扰动项，假设飞机的总扰动为：

其中直接升力控制不操纵升降舵，防止与增稳系统冲突，将升降舵偏转对的影响也作为扰动项，此时式可以改写为

可得到阵风减缓控制律为：

其中Z₂为对扰动值的估计；

由此得到阵风减缓控制量，并采用伪逆法设计分配器将控制量分配给襟翼和扰流板：

U＝W_u ^-1(B_uW_u ^-1)⁺v

其中B_u是一个1×m的向量，W_u＝diag[W₁ W₂ … W_m]为加权矩阵，根据直接升力操纵面的控制效能和偏转速率得到，m为飞机控制个数。

从图4和图5可以看出，上述方法可以实现阵风减缓控制系统输出量完全分配给减缓舵面，并可以有效实现阵风中飞机过载的减缓，具有一定的可行性和优越性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统，其特征在于，包括：操纵面、传感器、阵风减缓控制器、分配器、自抗扰控制器；所述操纵面用于控制飞机姿态，所述传感器用于检测飞机姿态；所述自抗扰控制器用于计算出操纵面中的直接升力舵面控制指令；所述分配器用于根据计算出的控制指令分配给操纵面；所述阵风减缓控制器用于响应控制指令。

2.根据权利要求1所述的可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统，其特征在于，所述操纵面包括副翼、升降舵、方向舵、扰流板、襟翼。

3.根据权利要求2所述的可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统，其特征在于，所述襟翼和扰流板为直接升力舵面；所述直接升力舵面的位置和尺寸根据飞机的设计参数和实际工作状态进行调整。

4.根据权利要求1所述的可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制系统，其特征在于，所述自抗扰控制器根据实时测量的飞机过载和目标过载来计算出舵面控制指令，实现对飞机过载的精确控制同时抵消阵风引起的过载变化。

5.一种可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用闭环的阵风减缓控制方案，并设计了直接升力阵风减缓控制系统，采用襟翼和扰流板两种直接力舵面作为飞机的阵风减缓舵面，并根据自抗扰控制方法设计了直接升力阵风减缓控制律；

S2、针对多操纵面的过驱动系统设计了阵风减缓控制下的控制分配方法，将襟翼和扰流板作为直接升力舵面，分配器将控制器输出的指令分配到操纵面，提高舵面的偏转效率。

6.根据权利要求5所述的可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制方法，其特征在于，考虑纵向小扰动的矩阵形式，获得短周期近似方程，短周期状态方程如下：

其中A_z为法向加速度，Z_δ＝[Z_e,Z_flap,Z_sp]为操纵导数，δ＝[δ_e,δ_flap,δ_sp]^T为舵面的偏转角度，为阵风对过载的不确定估计，V为真空速；

对式求导得：

将式中的代入式中可得

7.根据权利要求6所述的可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制方法，其特征在于，假设飞机的总扰动为：

将含有迎角项的Z_α和升降舵偏转对的影响作为扰动项，则

8.根据权利要求7所述的可用于多操纵面飞机的阵风减缓控制方法，其特征在于，阵风减缓控制律为：

其中Z₂为对扰动值的估计；

由此得到阵风减缓控制量，并采用伪逆法设计分配器将控制量分配给襟翼和扰流板：

其中B_u是一个1×m的向量，W_u＝diag[W₁ W₂ … W_m]为加权矩阵。根据直接升力操纵面的控制效能和偏转速率得到，m为飞机控制个数。