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飞行控制律设计方法

/design method of flight control law/
条目作者张翔伦

张翔伦

最后更新 2023-03-18
浏览 201
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确定飞行控制指令与飞行器操纵面之间函数关系以及随飞行状态的变化规律的技术和算法。

英文名称
design method of flight control law
所属学科
航空宇航科学与技术

无论飞机还是导弹、有人驾驶飞机还是无人机,固定翼飞机还是旋翼机抑或是创新布局的其他航空飞行器,飞行控制律与飞行器的操纵性、稳定性、安全性及经济性密切相关。作为飞行控制系统的一项核心技术备受关注,飞行控制律设计方法的重要性不言而喻。

飞行控制律设计方法的理论基础是自动控制原理,其核心是反馈控制。随着经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论的发展,飞行控制律设计方法也不断丰富。

经典控制理论针对线性时不变系统,代表性理论方法主要有劳斯-赫尔维茨稳定性判据、奈奎斯特稳定判据、根轨迹法、频率响应法。工程实践中以传递函数描述飞行器运动特性,使用这些方法完成飞行控制律设计。

20世纪60年代发展起来的现代控制理论以线性代数为数学基础,在一定程度上与函数分析有关。主要理论分支包括线性系统理论、最优控制理论、非线性系统理论、随机控制理论、自适应控制理论、鲁棒控制理论。其中,已被飞行控制律设计工程型号实践验证的方法包括线性系统理论中的极点配置方法、特征结构配置方法;增益调度(又称增益调参)控制方法;最优控制理论中的模型跟随控制方法等。

70年代发展起来的智能控制理论中的模糊控制方法、神经网络控制方法等也受到控制律设计人员的关注,其有效性也得到了仿真验证。

工程实践中常用的飞行控制律设计方法,属于增益调度控制方法范畴。具体而言,首先在飞行器飞行包线范围内选取若干设计状态点,分别针对这些设计状态点上的飞行器线性小扰动运动模型设计特定控制器使其满足性能指标要求;然后将所有状态点的控制器参数通过插值方式或曲线拟合方式等描述,构成飞行包线范围内满足要求的控制律;最后通过基于线性模型、非线性模型的大量仿真与试验验证、评定来确保所设计的控制律满足指标要求。

控制器一般采用比例-积分-微分控制器(PID)结构,控制器参数设计多采用极点配置方法、根轨迹分析法等方法。经过多年的飞行控制律设计和验证工作,在基于经典控制理论和增益调度法进行飞行控制律设计方面,工程技术人员积累了大量的实践经验和设计技巧,在较为成熟的系统性能和飞行品质指标要求以及设计评定准则约束下,能够获得满足要求的设计结果。

随着飞行器飞行包线的扩展以及新构型飞行器的涌现,业界不遗余力地推进现代控制理论、智能控制理论以及各类新的控制方法在飞行控制律设计中的应用。国外开展的典型研究验证项目包括:1994~1996年美国霍尼韦尔(Honeywell)技术中心和洛克希德·马丁公司“臭鼬”工作队(Lockheed Martin Skunk Works)开展的多变量控制设计方法研究项目;美国国家航空航天局(NASA)开展的F/A-18大迎角研究飞行器(HARV)项目;1994~1997年欧洲航空研究与技术委员会(GARTEUR)飞行力学第8小组开展的鲁棒控制设计方法研究项目等。这些研究工作为控制律设计方法的选择和应用提供了较好的参考。工业界在选取飞行控制律设计方法时,都会考虑设计过程中该方法是否能够与具体的设计要求密切相关;在整个飞行包线范围内该方法是否具有鲁棒稳定性;对于飞行任务所要求的特性,如机动性、安全性,该方法是否有独特的优势。另外,控制律设计方法的选用也受到学术研究与物理世界的差异、多目标与多约束的权衡、经验与习惯等因素的影响。随着技术的进步,飞行控制律设计方法也在不断发展和完善。

飞行控制律涉及方法与控制理论发展关系示意图飞行控制律涉及方法与控制理论发展关系示意图

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