[发明专利]一种风场影响下的飞机姿态控制方法

摘要

本发明公开了一种风场影响下的飞机姿态控制方法，包括以下几个步骤步骤一建立风场影响下的飞机运动方程；步骤二基于涡环原理建立适用于飞行实时仿真的微下冲气流风场；步骤三基于非线性动态逆理论设计控制回路；步骤四建立包含风场和控制的整体仿真模型，通过跟踪结果改变模型中的增益系数。本发明基于涡环原理建立的微下冲气流场，可以嵌入到飞行实时仿真模型中，对飞机质心位置的风场进行实时计算，提高了计算的精度，适合风场影响下的飞行器运动与控制仿真。

主权项

一种风场影响下飞机姿态控制方法，包括以下几个步骤：步骤一：建立风场影响下的飞机运动方程；具体包括：步骤1.1：建立风场扰动下的飞机质心动力学和运动学方程，并得到空速、迎角、侧滑角的方程：地速、机体轴速度矢量和风速构成速度矢量关系：Ve＝V+W，根据牛顿第二定律，在机体坐标系内建立质心动力学方程以及质心运动学方程，求解地速在机体坐标系的分量，变换到地坐标系，求解质心轨迹，根据速度矢量三角形关系，得到机体轴速度矢量V在机体系的分量，进而得到空速、迎角、侧滑角；步骤1.2：建立风场扰动下的飞机旋转动力学和运动学方程：步骤二：基于涡环原理建立适用于飞行实时仿真的微下冲气流风场；具体包括：步骤2.1：假设飞机直线飞行，在飞行路径上设置对称涡环模拟微下冲气流风场，设置涡环的模型参数：涡环半径、涡环高度、涡环强度、涡核半径；根据涡环原理得到涡环的诱导风速如下：设涡环半径为R，主涡环ΨP的流线方程为：ψP≈-Γ2π(r1+r2)3.152k21+31-k2]]>其中：主涡环的涡对个数0≤k≤1，Γ为涡环强度，r1和r2分别为参考点N到主涡环最近点和最远点的距离；镜像涡环ΨI的流线方程表达式：ψI≈Γ2π(r1′+r2′)3.152kI21+31-kI2]]>其中：镜像涡环的涡对个数0≤kI≤1，Γ为涡环强度，r1′和r2′分别为参考点N到镜像涡环最近点和最远点的距离；由流函数得到流场中参考点N的风场速度：Vx=x-xpr31r3∂ψ0∂z]]>Vy=y-ypr31r3∂ψ0∂z]]>Vz=-1r3∂ψ0∂r3]]>其中：Vx,Vy,Vz为风场速度的分量，(xp,yp,zp)为主涡环中心点的坐标，r3为点N到涡环中心轴线的距离，ψ0＝ψP+ψI，为一对涡环在参考点处的流函数；步骤2.2：计算多个涡环叠加时各个涡环的贡献因子：将涡核内部的诱导速度乘以一个阻尼因子ζ，从而改变涡核内部的速度分布，使得涡核内的风速在涡丝处衰减到0；阻尼因子为：ζ＝1‑exp(‑(r1/d)2/ε)其中：ε为权重系数，d为涡核的直径，r1为参考点N到主涡环最近点的距离；步骤2.3：用阻尼因子计算各个涡环的贡献，求解多个涡环叠加的诱导风速：通过多个涡环的复合模拟流场，多个涡环模型的叠加时，将各个涡环的诱导风速与阻尼因子相乘并求和，得到微下冲气流产生的风速(Vx,Vy,Vz)：Vx=Πi=12kζi(Σi=12kVxi)]]>Vy=Πi=12kζi(Σi=12kVyi)]]>Vz=Πi=12kζi(Σi=12kVzi)]]>其中：四个涡环的阻尼因子乘积为参考点处的总阻尼因子，为各个涡环的诱导风速之和；步骤三：基于非线性动态逆理论设计控制回路；具体包括：步骤3.1：内回路控制律设计；首先将力矩展开为显式含有舵面控制的项，然后将旋转动力学方程整理成输入舵面控制，输出状态变量的形式：x‾·=f(x1)+A(x1)u,x1=(Vas,α,β,p,q,r)T]]>其中：f(x1)＝(f1(x1),f2(x1),f3(x1))T为三维矢量函数，A(x1)为控制分布矩阵，u为舵面控制向量，Vas为空速，α,β分别为迎角、侧滑角，p,q,r分别为滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度；利用动态逆方法，设计系统反馈控制：u=A-1(x1)(x‾·-f(x1))]]>其中：A‑1(x1)为控制分布矩阵A(x1)的逆矩阵，为虚拟控制输入；令虚拟控制输入为：p·=ωp(pc-p)q·=ωq(qc-q)r·=ωr(rc-r)]]>其中：分别为滚转角速度、俯仰角速度、偏航角速度的变化率，为系统的期望响应，ωp,ωq,ωr分别为三个变量的响应频率；步骤3.2：外回路控制律设计；选取俯仰角θ、滚转角φ和侧滑角，它们分别产生俯仰、滚转、偏航角速度的期望值，从而将两个回路进行有效合成；采用非线性动态逆方法，首先要将变量的状态方程改写成：φ·α·β·=f4(x2)f5(x2)f6(x2)+M(x2)x‾]]>其中：分别为滚转角、迎角、侧滑角的变化率，x2＝(Vas,α,β,θ,φ)T，f(x2)＝(f4(x2),f5(x2),f6(x2))T为三维矢量函数，M(x2)为控制分布矩阵；以外回路控制得到的输出作为内回路的期望，得到相应的控制律为：x‾c=M-1(x2)(x‾‾·-f(x2))]]>其中：M‑1(x2)为控制分布矩阵M(x2)的逆矩阵，为虚拟输入；虚拟输入用下式代替：x‾‾·=ω(x‾‾c-x‾‾)]]>其中：ω为响应频率，为期望响应；步骤四：建立包含风场和控制的整体仿真模型，通过跟踪结果改变模型中的增益系数；具体包括：步骤4.1：构建飞机的六自由度非线性仿真系统模型，包括控制模块和机体动力学模块；步骤4.2：根据俯仰角改出策略设定俯仰角、滚转角、侧滑角，检验在风场中其跟踪指令的响应。