低速情况下无尾飞翼布局飞行器耦合非线性控制分配问题研究

The relation of control moment and force produed by the different effectors of Tailless flying-wing aircraft is seriously nonlinear, and the coupling effect between these effectors is serious, especially during take off and flight in low airspeed with high attack angle. And the stability and handling quality of flying-wing aircraft are worse. The aircraft is easily stalled when it is disturbed by wind. In order to enhance the over-stall maneuver ability and its control quality, the problem, nonlinear control allocation of coupling multi-effector in the over-actuated system, must be solved. From this point, the research will be done in four aspects: the mathmatic model of system, the allocation mechanism, robust allocation methods and the evaluation of allocation efficiency.In these project, the decoupling methods that are offen used in the traditional allocation algorithms are abandoned, on the basis of mathmatic model and clear comprehend of coupling nonlinear over-actuated system, the cooperation of multi-effector can be gotten by coupling effect between them. And the model error and parameters perturbation are considered when the control allocation laws are designed, and the robustnesse of allocation system are emphasized. By these way, the optimizing designed based on the system robustness can be realized, and the allocating errors exsiting in the traditional allocation system can be reduced.Then , the control precision and efficiency of the control allocation system can be improved.

在低速大迎角飞行和起降阶段，无尾飞翼布局飞机各操纵面产生的操纵力和操纵力矩呈现严重的非线性特性，各操纵面之间的耦合效应十分突出，飞机横航向的稳定性和操纵性较差，在受到风干扰时容易进入失速状态。为了提高无尾飞翼布局飞机的操纵性和操纵品质，需要解决多操纵面耦合非线性控制分配问题。本项目围绕这一主题，从数学建模、分配机理、鲁棒分配方法和分配效能评估四方面开展耦合非线性过驱动系统研究。本项目不再采用传统的线性逼近方法处理非线性控制分配问题，而是在建立耦合非线性过驱动系统模型、深入分析操纵面之间耦合效应的基础上，研究耦合非线性分配方法，实现操纵面的综合协调控制；并充分考虑系统建模误差和参数摄动，通过鲁棒控制分配方法克服因参数不确定性产生的综合分配误差。通过以上措施，充分发挥无尾飞翼布局飞机操纵面的气动效能，增强分配系统鲁棒性，提高飞机在低速情况下的飞行性能和起降安全性。

根据本项目研究计划，课题组自主设计了一架无尾飞翼布局飞机XQ-6B，完成了该多操纵面飞机的总体设计、气动分析、结构设计、样机制作及试飞数据采集等工作。在此基础上，本项目重点研究了低速情况下无尾飞翼布局飞机耦合非线性控制分配问题，完成了数学建模、分配机理、鲁棒分配方法和分配效能评估等研究内容，取得的主要研究成果有：(1) 基于CFD气动计算，结合试飞数据，提出了一种耦合非线性过驱动系统的建模方法，辨识得到了过驱动系统的模型参数以及参数的摄动范围，完成了六自由度非线性飞机模型配平、线性化和特性分析等工作；(2) 针对SDR操纵系数单调非线性、非单调非线性和耦合非线性等三种非线性分配问题，提出了一种基于舵面位置反馈的耦合非线性控制分配方法，将非线性控制分配问题转化为线性控制分配问题，避免了已有非线性控制分配方法计算量大、实时性差的难点。该方法分配精度高、通用性较强，并且利用Matlab xPC实时仿真系统验证了该方法的实时性，为工程应用提供了一条简单、可靠的途径。(3) 在建立了控制分配方法鲁棒性能评价标准的基础上，提出了一种闭环反馈下的鲁棒控制分配方法。该方法结合广义逆分配方法，将耦合非线性过驱动系统的分配误差通过延时环节反馈至期望力矩，增强了分配方法的鲁棒性；(4) 提出了一种耦合非线性过驱动系统AMS的求解方法。借助坐标变换将非凸AMS求解问题等效为约束寻优问题，并通过包络拟合获得了AMS体积。通过SDR的耦合非线性AMS体积对比，表明SDR能够拓展飞机三轴最大可用力矩，增强飞机低速大迎角时的飞行性能和起降安全性。(5) 提出了一种基于迎角反馈的SDR预偏差动控制方法，解决了在较大迎角下采用开裂式阻力方向舵单侧控制时偏航力矩“死区”与“操纵反效”等非线性问题，并通过多架次试飞验证了其有效性。结合本项目研究，出版专著1本，发表论文35篇，其中SCI检索7篇(中科院JCR 1区1篇，2区2篇)，EI检索23篇，申请专利3项(授权1项，公开2项)，培养博士研究生6名，硕士研究生8名。