基于無(wú)模型自適應(yīng)控制方法的傾轉(zhuǎn)翼飛行器縱向控制

發(fā)布時(shí)間：2020-03-31 09:48

【摘要】：傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)是一種新型飛行器,其兼具直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),所以可以實(shí)現(xiàn)多種飛行模式的切換,具有直升機(jī)的可垂直起降和固定翼飛機(jī)大航程的強(qiáng)大能力。然而這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)也使得傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)成為一個(gè)非常復(fù)雜的多輸入多出系統(tǒng),傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)研制存在建模復(fù)雜、控制困難等一系列問(wèn)題。尤其是傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)過(guò)渡段時(shí)帶來(lái)的強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性以及時(shí)變等特性,使得傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)縱向控制變得尤為困難。所以如何實(shí)現(xiàn)傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)縱向平穩(wěn)安全的飛行控制是傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)飛行控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。同時(shí)傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)縱向飛行控制的研究也對(duì)推進(jìn)傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)進(jìn)入實(shí)用具有重要意義。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先用分體法得到了傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)各部分的空氣動(dòng)力學(xué)模型,建立了傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)非線(xiàn)性的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,在一定假設(shè)條件下,將傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)六自由度非線(xiàn)性模型簡(jiǎn)化為縱向非線(xiàn)性仿真模型,為后續(xù)傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)縱向控制研究提供基礎(chǔ)。第二,無(wú)模型自適應(yīng)控制(Model free adaptive control,MFAC)是一種典型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制算法,它可以控制具有時(shí)變性、非線(xiàn)性、耦合性的復(fù)雜多輸入多輸出系統(tǒng)。IMFAC(Improved MFAC,IMFAC)由基礎(chǔ)MFAC改進(jìn)而來(lái),可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)非自衡系統(tǒng)的控制。本文為了避免IMFAC參數(shù)整定的繁瑣和因參數(shù)整定不當(dāng)帶來(lái)的人為誤差,進(jìn)一步引入了遺傳單純形尋優(yōu)算法,結(jié)合了兩種算法的優(yōu)勢(shì),得到了具有參數(shù)自整定、魯棒性強(qiáng),可處理時(shí)變非線(xiàn)性系統(tǒng)的GASM-IMFAC控制方法。該方法經(jīng)典型四旋翼非線(xiàn)性模型仿真驗(yàn)證,結(jié)果表明,GASM-IMFAC控制方法優(yōu)于GASM-PID、GASM-LQR控制算法。其次,分析了傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)各模態(tài)下的操縱特性,并采用GASM-IMFAC控制方法對(duì)直升機(jī)模式和過(guò)渡段進(jìn)行了控制器設(shè)計(jì)。在MATLAB環(huán)境下,對(duì)傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的某種陣風(fēng)擾動(dòng)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)采用GASM-IMFAC控制方法在陣風(fēng)擾動(dòng)情況下,仍能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)、安全的模式轉(zhuǎn)換,控制器具有很好的魯棒性。最后,為了使傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)轉(zhuǎn)換過(guò)程顯示地更為直觀清楚,聯(lián)合調(diào)用MATLAB與Flight Gear搭建了虛擬仿真環(huán)境,并對(duì)傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)縱向飛行進(jìn)行了全數(shù)字仿真。
【圖文】：

藍(lán)鯨

進(jìn)一步提高了傾轉(zhuǎn)翼飛機(jī)控制系統(tǒng)的品質(zhì)。.2.1 傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)研究現(xiàn)狀對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)復(fù)雜的過(guò)渡段控制，國(guó)外諸多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。thony J．Calise 教授和 RolfT．Rysdyk 研究員[8]將自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)態(tài)逆應(yīng)用到傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī) XV-15 上，實(shí)現(xiàn)了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的穩(wěn)定飛行。Mehra R K 等建立了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī) XV-15 的 LPV 模型，對(duì)它的實(shí)時(shí)仿真說(shuō)明了基于模型預(yù)(MPC)設(shè)計(jì)控制器的有效性。Boo Min Kim，Kwangchan Choi和Byoung Soo K經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了傾轉(zhuǎn)旋翼無(wú)人機(jī)軌跡跟蹤器的。內(nèi)對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的研究緊隨其后，也取得了一定的研究成果，如中航工業(yè)直鯨”（圖 1-5）、中航工業(yè)慶安集團(tuán)公司的“雨燕”（圖 1-6）等，一些高校和積極進(jìn)行相關(guān)理論知識(shí)的探索并獲得了可喜的進(jìn)展。