垂直/短距起降飞机异类多执行器控制分配研究

In vertical or short takeoff flight modes, the flight controller of V/STOL (Vertical and/or Short Take-Off and Landing) aircraft uses the propulsion system as attitude control actuators. The turbo engine, thrust vector and aerodynamic effectors have different dynamic characteristics. As a result the flight control system has to allocate these heterogeneous multi-actuators. As the propulsion system is highly-coupled and time-varying, we introduce characteristic modeling method to achieve dynamic coordination of the heterogeneous multi-actuators. The project explores coupling mechanism and dynamic characteristics of the propulsion system of V/STOL aircrafts, build its characteristic model, and design the adaptive tracking controller based on this characteristic model. And predictive dynamic control allocation method for nonaffine nonlinear systems with heterogeneous multi-actuators is studied. The parameters of these control methods and the characteristic models are designed by explicit consideration of the landing rate, computational algorithms and modeling uncertain. This project will do theoretical analysis and control algorithm design firstly. And these methods will be verified on a semi-physical simulation platform. It is expected to give a theoretical framework and design method will be given for control allocation problem of heterogeneous multi-actuators of V/STOL aircrafts. The theoretical results can also be extended to other systems with actuators having time-varying dynamics.

在垂直或短距起降飞行模式，垂直/短距起降飞机飞行控制器以推进系统作为姿态控制执行器，发动机、推力矢量和气动舵面等执行器具有不同的动态特性，因此飞行控制系统面临异类多执行器控制分配问题。针对推进系统强耦合、时变特征，引入面向对象特征与控制目标的特征建模方法，在此基础上实现异类多执行器自适应动态控制分配。具体内容包括：探索垂直/短距起降飞机推进系统耦合机理和动态特性，建立特征模型，设计基于特征模型的推进系统自适应动态跟踪控制器；研究非仿射非线性系统异类多执行器预测控制分配方法；综合考虑飞机起降速率、算法执行效率和建模不确定等因素，设计预测控制分配、特征模型和自适应控制器参数。针对以上内容，本项目首先进行理论分析与算法设计，然后在半物理仿真平台上验证。预期研究成果可以为解决垂直/短距起降飞机异类多执行器控制分配问题提供理论框架和设计方法，理论成果也可推广至其他具有执行器动态时变特征的系统。

垂直起降固定翼飞行器是一类具有广泛应用前景的飞行器，在垂直或短距起降飞行模式，该类飞行器本体动力学与动力系统存在强耦合关系，且推进系统被飞行控制系统用作为姿态控制执行器，因此飞推综合建模及控制是发展垂直起降飞行器的基础。论文针对推力矢量型垂直/短距起降战斗机飞推综合控制问题，开展研究工作，取得的主要成果包括：.（1）对垂直/短距起降飞机的三轴承推力矢量喷管的饱和及动力学特性进行了详细分析，构建了基于非线性函数及一节惯性环节的动力学模型。构建了具有升力风扇、引射喷口等垂直/短距起降战斗机主发动机特征的动力学仿真模型，在此基础上建立了垂直/短距起降战斗机非线性六自由度的动力学仿真模型，为后期建立特征模型奠定了基础。.（2）针对执行器频带与系统频带处于同一量级的非线性系统，设计基于预测控制器的动态控制分配方法。通过在非线性系统工作点局部线性化，将线性化系统与推进系统标称模型融合，针对扩展系统设计预测控制器，建立了冗余异类执行器非线性系统预测控制器设计方法。提出了基于预测控制器期望指令及权重矩阵在线调节的飞行模式切换方法，有助于降低喷射气流效应建模误差及阵风带来的姿态扰动，通过综合优化预测控制器参数，可实现垂直/短距起降飞机快速、平稳起降。半物理仿真试验仿真试验和缩比飞机飞行试验验证了基于预测控制分配的飞/推综合控制方法。.本项目研究成果为解决垂直/短距起降飞机异类多执行器控制分配问题提供理论框架和设计方法，理论成果也可推广至其他具有执行器动态时变特征的系统。