面向倾转旋翼一类复杂变构型飞行器建模与控制的系统辨识方法研究

This project does research on the system identification problem of tilt-rotorvaried-configuration aircraft flight dynamics model. A constrained optimizationmethod will be used for excitation signal design in three configurations to ensurethe relevant dynamic mode can be excited sufficiently, so that it can provide testdata with high quality for model identification. Flight dynamics equations oftilt-rotor aircraft in different configurations will be constructed throughparameterization method, an adaptive structure identification method will bedeveloped to solve the difficulties encountered in structure identification of complex highorder systems when applying exsiting methods. An improved indirect optimal bounding ellipsoid method will beestablished to solve the difficulties of applying standard optimal boundingellipsoid method to identify differential equations system. The concept ofgeneralized noise is introduced, an adaptive method for generalized nosie bound calculation is developed through multidisciplinary theory to increase the accuracy,stability and robustness of optimal bounding ellipsoid method. The achievements of this project can be used directly to flight dynamics modeling and flight controlsystem design of tilt-rotor aircraft, it can provide good theoretical basis forthe development of tilt-rotor aircraft in our country.

项目针对倾转旋翼变构型飞行器飞行动力学模型的系统辨识问题展开研究。通过采用约束优化的方法进行三种构型飞行试验操纵激励信号设计，确保能够充分激励出相应运动模态，为模型辨识提供高质量的试验数据。通过参数化方法建立倾转旋翼飞行器不同构型下的飞行动力学方程，并发展一套自适应结构辨识方法，解决已有方法在复杂高阶系统模型结构辨识方面遇到的困难。通过建立一套改进的间接最优边界椭球法解决标准最优边界椭球法无法用于微分方程形式系统辨识的困难，引入广义噪声的概念，并基于交叉学科的理论发展一套广义噪声边界自适应计算方法，提高最优边界椭球法的精度、稳定性和鲁棒性。本项目的研究成果可以直接用于倾转旋翼飞行器飞行动力学建模以及飞行控制系统设计，为我国倾转旋翼飞行器的设计提供较好的理论基础。

针对倾转旋翼一类复杂变构型飞行器的飞行动力学建模问题，本项目基于系统辨识理论开展了高置信度建模方法研究。在试飞操纵激励信号优化设计方面，本项目建立了机理飞行动力学模型，分别基于模态最大化和D-最优准则建立了激励信号参数的优化算法，并得到了最优操纵激励信号。在倾转旋翼飞行器参数化建模方面，本项目推导得到了固定翼模式、直升机模式和倾转过渡模式的状态空间模型，建立了适用于所有飞行模式的模型结构实时优化方法，确保参数辨识过程中始终具备最优模型结构，大大提高了参数辨识过程的数值稳定性。在倾转旋翼飞行动力学模型参数辨识方面，本项目基于集员理论开展了参数辨识方法研究工作，建立了多输入-多输出系统基本最优边界椭球算法，推导了适用于倾转旋翼飞行器模型辨识的间接最优边界椭球法，提出广义噪声概念并发展了广义噪声边界的优化方法。基于仿真试飞数据和模型倾转旋翼飞行器的实际试飞数据进行了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型辨识及验证，结果表明本项目发展的辨识方法能够有效的建立倾转旋翼飞行器各个模式下的飞行动力学模型，与经典辨识方法相比具有更高的辨识精度，并且鲁棒性得到了显著提高。此外，为了实现仿真试验，本项目额外针对倾转旋翼飞行器仿真试飞中补偿操纵的获取方法进行了研究，发展了倾转旋翼飞行器闭环逆仿真方法，成功解决了仿真试飞遇到的困难。本项目的研究成果从理论上解决了一类高阶复杂时变系统的参数化建模及模型结构优化、参数的鲁棒辨识问题，可应用于未来各类复杂先进飞行器的飞行动力学建模、飞行控制系统设计和飞行品质优化。