风切变诱发飞行失控的包线估计及保护控制研究

Wind shear is one of the fatal causes of flight accidents. It is deficient to study wind shear escape only by energy/flight path control. This project study escape control by preventing aircrafts from Loss of Control(LoC). The research contains: (1)The principles of wind shear effects on flight will be studied. An affine parameter dependent linear parameter varying(LPV)model with wind effects will be built. (2)By transient region of stability analysis, local variation of envelope with wind shear effects can be acquired based on normal LoC envelope. By.constrained nonlinear predictive control, the unstable flight state can be driven into the stability region to realize envelope protection. (3)Combined with energy/flight path control and escape control decision, full envelope windshear escape will be studied by multi-loop gain scheduling. By the research, protection of envelope boundary and full envelope escape under wind shear can be realized. It is helpful to LoC prevention induced by wind shear. Furthermore, early wind shear alert can be provided for pilots' flight control and the escape flight safety can be improved.

风切变是导致飞行事故的重要诱因之一。现有的基于能量/轨迹控制研究风切变改出的方法存在不足。本项目从预防风切变诱发飞行失控的角度研究改出控制问题。内容包括：(1)研究风切变对飞行的影响机理，建立含风切变影响的仿射参数依赖线性参数变化(LPV)模型。(2)对正常失控包线进行风切变影响下的瞬态稳定域分析，研究失控包线局部变化的估计方法；研究一种约束预测控制包线保护方法，驱使不稳定状态进入瞬态稳定域。(3)结合能量/轨迹控制和改出控制决策，研究风切变改出的全包线多环变增益控制。通过项目研究，实现风切变影响下失控包线边界的保护和全包线改出控制，有助于预防风切变诱发的飞行失控，为飞行员改出操纵提供早期预警，提高自动改出控制安全性。

鉴于现有的基于能量/轨迹控制研究风切变改出方法存在的若干不足，本项目从预防风切变诱发飞行失控的角度研究改出控制问题。通过项目研究，取得以下研究成果：(1)分析风切变对飞行的影响机理，采用函数替换方法建立了含风切变影响的仿射参数依赖线性参数变化(LPV)飞行动力学模型。通过调度参数变化，使LPV模型的动态响应能够逼近全量非线性模型。(2)采用可达集分析方法，对正常失控包线进行风切变影响下的局部瞬态稳定域分析，实现失控包线局部变化的估计；在系统故障检测与隔离理论基础上，研究了一种基于约束预测控制的LPV模型参考自适应飞行包线保护方法，确保扰动风干扰下的飞行状态被约束在瞬态稳定域内。(3)提出了一种面向扰动风抑制的LPV鲁棒控制方法，将LPV模型的调度参数直接作为鲁棒增益调度控制器的依赖参数，进行LPV模型和控制器一体化设计。分别设计实现了LPV纵向和横侧鲁棒控制器，实现鲁棒干扰抑制，并确保改出飞行的安全性。(4)结合能量/轨迹控制和改出控制决策，分别研究实现了基于动态逆和约束预测控制的内环稳定控制器和基于模糊推理的风切变改出全包线外环控制。通过本项目研究，实现风切变影响下飞行失控包线边界的保护和全包线改出控制，完善了风切变改出的相关安全性理论；有助于预防风切变诱发的飞行失控，能够为飞行员改出操纵提供早期预警，并提高自动改出控制安全性。