[发明专利]一种飞机Herbst机动控制方法

说明书

本发明提供了一种飞机Herbst机动控制方法，所述方法基于动态逆思想，设计的控制器包括外环航迹控制器与内环姿态控制器，外环航迹控制器计算实现设定机动航迹的迎角指令、侧滑角指令、绕速度矢滚转角指令以及控制飞机速度的发动机推力指令，内环姿态控制器通过操纵飞机气动舵面以及推力矢量控制飞机的迎角、侧滑角与绕速度矢滚转角。采用本方法得到了外环航迹控制器的解析表达式，其中迎角指令控制器具有PID控制器中的I控制器形式，避免了复杂的数值计算，同时可以调节控制指令求解精度，更加适用于工程领域的飞机Herbst机动控制器设计。

技术领域

本发明属于航空飞行器过失速机动控制技术领域，具体涉及一种飞机Herbst机动控制方法。

背景技术

拥有过失速机动能力的飞机在近距作战中更具优势。Herbst过失速机动是由Wolfgang Herbst博士于20世纪80年代初提出，它综合了飞机动态拉起迎角进入过失速状态、大迎角下绕速度矢滚转等基本过失速机动动作,是检验飞机过失速机动能力的标准验证动作。在Herbst机动中，飞机从常规飞行状态做大角度跃升使迎角达到并超过失速迎角，伴随着飞机速度的下降，通过操纵飞机绕速度矢滚转迅速实现飞机航向180度转弯。

过失速机动飞行存在气动特性明显非线性、惯性耦合等强非线性因素，传统的线性控制律已不再满足要求，有必要发展非线性控制律。非线性动态逆飞行控制律是一种广泛研究的方法，它按变量响应的快慢将系统分为不同的回路，利用非线性状态反馈将回路反馈线性化，在一定条件下，动态逆控制律的稳定性可以得到保证。针对过失速机动飞行，学者们对比了动态逆控制律与线性控制律，仿真表明动态逆控制律具有更好的性能。

采用动态逆技术设计Herbst机动控制器，控制器包括内环姿态控制与外环航迹控制两个回路，内环姿态控制器通过操纵飞机气动舵面以及推力矢量控制飞机的迎角、侧滑角与绕速度矢滚转角，外环航迹控制器通过设定的机动飞行航迹计算由内环姿态控制器实现的迎角指令、侧滑角指令、绕速度矢滚转角指令以及控制飞机速度的发动机推力指令（或油门指令）。

设计Herbst机动内环姿态控制器时，将飞机动力学分为气流角子回路与角速度子回路，其中、、分别代表飞机滚转角速度、俯仰角速度与偏航角速度，上标“”代表矢量转置。在气流角子回路，控制器将角速度作为控制量来控制，在角速度子回路，通过气动舵面与推力矢量产生力矩来实现对的控制。由于内环动力学方程是仿射形式，采用动态逆技术可以方便地求出舵偏指令实现对的控制。

设计Herbst机动外环航迹控制器时，针对飞机航迹动力学方程，控制器将气流姿态角与发动机推力（或油门）作为控制量来对飞机速度矢量进行控制。不同于内环回路，由于系统动力学方程不再是仿射形式，无法直接求解出控制指令，因此指令计算中需要用到非线性隐式代数方程求根技术，准确高效地求解与状态变量相关的非线性隐式代数方程是控制器设计中需要解决的重要问题。

描述飞机航迹运动的动力学方程为

其中，为飞机质量，为速度幅值，为航迹倾角，为航迹方位角，为发动机推力在机体系下的坐标分量，为阻力，为升力，为动压，为大气密度，与分别为阻力系数与升力系数，为飞机参考面积，为重力加速度。

由于Herbst机动中侧滑角需控制到0，故侧滑角指令为

同时由于、为小量，进行外环航迹控制器设计时可将航迹动力学方程简化为

其中，为发动机最大推力,为发动机油门。在航迹回路中，状态量为，控制量为，由于无法直接求解得到控制指令，因此指令计算中需要用到非线性隐式方程的求根技术。在计算迎角控制指令时候，需要求解含有时变参量的非线性隐式代数控制方程：

其中，为通过传感器直接或间接测量，与状态变量相关的时变参量矢量，为时间。