基于無模型自適應(yīng)控制方法的傾轉(zhuǎn)翼飛行器縱向控制

發(fā)布時間：2020-03-31 09:48

【摘要】：傾轉(zhuǎn)翼飛機是一種新型飛行器,其兼具直升機和固定翼飛機的結(jié)構(gòu)特點,所以可以實現(xiàn)多種飛行模式的切換,具有直升機的可垂直起降和固定翼飛機大航程的強大能力。然而這種獨特的結(jié)構(gòu)也使得傾轉(zhuǎn)翼飛機成為一個非常復(fù)雜的多輸入多出系統(tǒng),傾轉(zhuǎn)翼飛機研制存在建模復(fù)雜、控制困難等一系列問題。尤其是傾轉(zhuǎn)翼飛機過渡段時帶來的強耦合、非線性以及時變等特性,使得傾轉(zhuǎn)翼飛機縱向控制變得尤為困難。所以如何實現(xiàn)傾轉(zhuǎn)翼飛機縱向平穩(wěn)安全的飛行控制是傾轉(zhuǎn)翼飛機飛行控制的重點和難點。同時傾轉(zhuǎn)翼飛機縱向飛行控制的研究也對推進傾轉(zhuǎn)翼飛機進入實用具有重要意義。本文主要研究內(nèi)容如下:首先用分體法得到了傾轉(zhuǎn)翼飛機各部分的空氣動力學(xué)模型,建立了傾轉(zhuǎn)翼飛機非線性的動力學(xué)和運動學(xué)方程,在一定假設(shè)條件下,將傾轉(zhuǎn)翼飛機六自由度非線性模型簡化為縱向非線性仿真模型,為后續(xù)傾轉(zhuǎn)翼飛機縱向控制研究提供基礎(chǔ)。第二,無模型自適應(yīng)控制(Model free adaptive control,MFAC)是一種典型的數(shù)據(jù)驅(qū)動控制算法,它可以控制具有時變性、非線性、耦合性的復(fù)雜多輸入多輸出系統(tǒng)。IMFAC(Improved MFAC,IMFAC)由基礎(chǔ)MFAC改進而來,可以直接實現(xiàn)對非自衡系統(tǒng)的控制。本文為了避免IMFAC參數(shù)整定的繁瑣和因參數(shù)整定不當(dāng)帶來的人為誤差,進一步引入了遺傳單純形尋優(yōu)算法,結(jié)合了兩種算法的優(yōu)勢,得到了具有參數(shù)自整定、魯棒性強,可處理時變非線性系統(tǒng)的GASM-IMFAC控制方法。該方法經(jīng)典型四旋翼非線性模型仿真驗證,結(jié)果表明,GASM-IMFAC控制方法優(yōu)于GASM-PID、GASM-LQR控制算法。其次,分析了傾轉(zhuǎn)翼飛機各模態(tài)下的操縱特性,并采用GASM-IMFAC控制方法對直升機模式和過渡段進行了控制器設(shè)計。在MATLAB環(huán)境下,對傾轉(zhuǎn)翼飛機轉(zhuǎn)換過程中的某種陣風(fēng)擾動進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,傾轉(zhuǎn)翼飛機采用GASM-IMFAC控制方法在陣風(fēng)擾動情況下,仍能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、安全的模式轉(zhuǎn)換,控制器具有很好的魯棒性。最后,為了使傾轉(zhuǎn)翼飛機轉(zhuǎn)換過程顯示地更為直觀清楚,聯(lián)合調(diào)用MATLAB與Flight Gear搭建了虛擬仿真環(huán)境,并對傾轉(zhuǎn)翼飛機縱向飛行進行了全數(shù)字仿真。
【圖文】：

進一步提高了傾轉(zhuǎn)翼飛機控制系統(tǒng)的品質(zhì)。.2.1 傾轉(zhuǎn)旋翼飛機研究現(xiàn)狀對傾轉(zhuǎn)旋翼飛機復(fù)雜的過渡段控制，國外諸多學(xué)者進行了深入研究。thony J．Calise 教授和 RolfT．Rysdyk 研究員[8]將自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)逆應(yīng)用到傾轉(zhuǎn)旋翼機 XV-15 上，實現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)旋翼機的穩(wěn)定飛行。Mehra R K 等建立了傾轉(zhuǎn)旋翼機 XV-15 的 LPV 模型，對它的實時仿真說明了基于模型預(yù)(MPC)設(shè)計控制器的有效性。Boo Min Kim，Kwangchan Choi和Byoung Soo K經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了傾轉(zhuǎn)旋翼無人機軌跡跟蹤器的。內(nèi)對傾轉(zhuǎn)旋翼機的研究緊隨其后，也取得了一定的研究成果，如中航工業(yè)直鯨”（圖 1-5）、中航工業(yè)慶安集團公司的“雨燕”（圖 1-6）等，一些高校和積極進行相關(guān)理論知識的探索并獲得了可喜的進展。