本文關(guān)鍵詞：殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)邊界判定與保護(hù)控制

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【摘要】：隨著現(xiàn)代空戰(zhàn)理念的不斷革新,殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)已成為新一代戰(zhàn)機(jī)的核心技術(shù),同時(shí),過失速機(jī)動(dòng)的安全問題也成為一個(gè)值得深入研究的重點(diǎn)問題。過失速機(jī)動(dòng)的安全問題與過失速機(jī)動(dòng)能力有著密切的聯(lián)系,定量給出當(dāng)前狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)能力邊界值,并在飛行過程中合理選擇相應(yīng)狀態(tài)變量加以約束,對于保證過失速機(jī)動(dòng)的安全性與機(jī)動(dòng)的完成,實(shí)現(xiàn)駕駛員的“無憂慮”操縱有著重要意義。因此,先進(jìn)殲擊機(jī)飛行邊界判定和邊界保護(hù)的研究是一項(xiàng)具有前沿性與挑戰(zhàn)性的課題。本文針對這一問題,基于殲擊機(jī)氣動(dòng)模型,提出飛行邊界的判定方法,并以過失速繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)與俯仰滾轉(zhuǎn)耦合機(jī)動(dòng)為例對邊界進(jìn)行邊界判定與分析,進(jìn)而設(shè)計(jì)過失速繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)邊界保護(hù)控制系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下:首先,結(jié)合非定常氣動(dòng)力研究成果,建立先進(jìn)殲擊機(jī)非線性數(shù)學(xué)性模型,并對模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)置、飛行開環(huán)零輸入響應(yīng)及耦合特性進(jìn)行分析,為后續(xù)過失速機(jī)動(dòng)邊界判定及邊界保護(hù)研究打下基礎(chǔ)。其次,分析經(jīng)典動(dòng)態(tài)逆控制律在過失速繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)中的失控過程,引出邊界判定與保護(hù)控制�；谙冗M(jìn)民用飛機(jī)飛行邊界的判定思想,對傳統(tǒng)殲擊機(jī)飛行包線的定義進(jìn)行拓展,給出了動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)邊界定義及具有普適意義的邊界算法。同時(shí)針對過失速機(jī)動(dòng)動(dòng)態(tài)邊界,借助可達(dá)平衡集的機(jī)動(dòng)能力評價(jià)方法給出失控判定準(zhǔn)則,總結(jié)出過失速機(jī)動(dòng)動(dòng)態(tài)邊界即狀態(tài)受約束下的機(jī)動(dòng)能力。然后,根據(jù)提出的失控判定準(zhǔn)則得到狀態(tài)約束,借助動(dòng)態(tài)配平思想與可達(dá)平衡集方法,對過失速機(jī)動(dòng)中的繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)與俯仰滾轉(zhuǎn)耦合機(jī)動(dòng)的邊界進(jìn)行有限元計(jì)算和分析,并結(jié)合飛機(jī)耦合特性對求得邊界的正確性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)理驗(yàn)證。另外以深失速為例,針對過失速機(jī)動(dòng)中的危險(xiǎn)狀態(tài),把借助可達(dá)集方法計(jì)算出的危險(xiǎn)狀態(tài)收斂域作為邊界。最后,對邊界保護(hù)控制系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì),并將問題分為三部分,即角速度環(huán)控制器設(shè)計(jì),姿態(tài)環(huán)控制器設(shè)計(jì)與邊界保護(hù)控制器設(shè)計(jì)。在保護(hù)控制中綜合采用指令約束與狀態(tài)受約束控制的復(fù)合保護(hù)方法,并將狀態(tài)受約束控制律與內(nèi)環(huán)控制律進(jìn)行綜合設(shè)計(jì),采用基于反饋線性化的魯棒模型預(yù)測控制律,并以三類典型過失速機(jī)動(dòng)對設(shè)計(jì)的控制算法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。在邊界算法中,為了得到未來狀態(tài)的邊界,提出了基于可達(dá)集方法的受約束狀態(tài)預(yù)測算法,最終,以繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)為例,對設(shè)計(jì)的邊界保護(hù)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明,在殲擊機(jī)超機(jī)動(dòng)過程中,邊界保護(hù)系統(tǒng)體現(xiàn)出較好的保護(hù)性能。
【關(guān)鍵詞】：先進(jìn)殲擊機(jī) 過失速機(jī)動(dòng) 非線性系統(tǒng) 飛行邊界定義 可達(dá)平衡集 可達(dá)集 狀態(tài)受約束機(jī)動(dòng)能力 魯棒模型預(yù)測控制 邊界保護(hù)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V271.41
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-13
• 注釋表13-16
• 第一章 緒論16-24
• 1.1 課題研究背景與意義16-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀綜述17-23
• 1.2.1 飛行邊界判定研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.2 現(xiàn)代飛行控制研究現(xiàn)狀18-21
• 1.2.3 邊界保護(hù)控制研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3 本文的研究內(nèi)容及安排23-24
• 第二章 先進(jìn)殲擊機(jī)非線性系統(tǒng)模型及分析24-41
• 2.1 引言24-25
• 2.2 殲擊機(jī)非線性模型的構(gòu)建25-32
• 2.2.1 飛機(jī)模型的基本概念25-26
• 2.2.2 殲擊機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)非線性建模26-28
• 2.2.3 殲擊機(jī)氣流系非線性模型28-29
• 2.2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)29
• 2.2.5 控制變量29-30
• 2.2.6 標(biāo)準(zhǔn)大氣模型30-31
• 2.2.7 發(fā)動(dòng)機(jī)模型31-32
• 2.3 殲擊機(jī)非線性模型特性分析32-35
• 2.3.1 開環(huán)零輸入響應(yīng)特性32-33
• 2.3.2 運(yùn)動(dòng)耦合特性33-34
• 2.3.3 慣性耦合特性34-35
• 2.4 縱向非定常氣動(dòng)系數(shù)建模與分析35-40
• 2.4.1 非定常氣動(dòng)系數(shù)的數(shù)學(xué)形式35-37
• 2.4.2 非定常氣動(dòng)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形式37
• 2.4.3 非定常氣動(dòng)系數(shù)的數(shù)值估計(jì)方法37-39
• 2.4.4 非定常氣動(dòng)系數(shù)參數(shù)估計(jì)結(jié)果39
• 2.4.5 非定常氣動(dòng)力特性分析39-40
• 2.5 本章小結(jié)40-41
• 第三章 殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)邊界判定方法41-56
• 3.1 殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)邊界保護(hù)需求分析41-46
• 3.1.1 殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)動(dòng)態(tài)逆控制器設(shè)計(jì)41-44
• 3.1.2 飛行控制律失控分析44-46
• 3.2 飛行邊界與動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)邊界46-48
• 3.2.1 傳統(tǒng)殲擊機(jī)飛行包線與民用飛機(jī)飛行邊界46
• 3.2.2 飛行邊界的定義與分類46-47
• 3.2.3 動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)邊界的定義與判定方法47-48
• 3.3 過失速機(jī)動(dòng)動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)邊界的判定48-51
• 3.3.1 氣動(dòng)力與機(jī)動(dòng)能力關(guān)系48-49
• 3.3.2 飛行狀態(tài)、機(jī)動(dòng)狀態(tài)及機(jī)動(dòng)能力間關(guān)系49-50
• 3.3.3 失控判定準(zhǔn)則與狀態(tài)約束50
• 3.3.4 基于機(jī)動(dòng)基元的狀態(tài)受約束50-51
• 3.4 狀態(tài)受約束的機(jī)動(dòng)能力計(jì)算方法51-55
• 3.4.1 動(dòng)態(tài)配平與可達(dá)平衡集51-53
• 3.4.2 基于水平集方法的可達(dá)集計(jì)算53-54
• 3.4.3 過失速機(jī)動(dòng)邊界估計(jì)方法54-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第四章 殲擊機(jī)典型過失速機(jī)動(dòng)邊界分析56-73
• 4.1 引言56-57
• 4.2 常規(guī)機(jī)動(dòng)邊界57-61
• 4.2.1 定常平飛包線57
• 4.2.2 盤旋升降機(jī)動(dòng)57-58
• 4.2.3 過載包線58-61
• 4.3 過失速繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)邊界61-67
• 4.3.1 推力矢量對過失速機(jī)動(dòng)性能的影響61-62
• 4.3.2 繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)邊界的物理意義62-65
• 4.3.3 繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)的外環(huán)約束65-66
• 4.3.4 速度矢量環(huán)狀態(tài)約束的姿態(tài)環(huán)環(huán)映射66-67
• 4.4 俯仰滾轉(zhuǎn)耦合機(jī)動(dòng)邊界及其機(jī)理分析67-70
• 4.4.1 俯仰力矩邊界68-69
• 4.4.2 滾轉(zhuǎn)力矩邊界與偏航力矩邊界69-70
• 4.5 危險(xiǎn)狀態(tài)邊界70-72
• 4.5.1 非定常氣動(dòng)力對飛機(jī)深失速的影響70-72
• 4.5.2 二維深失速走廊72
• 4.6 本章小結(jié)72-73
• 第五章 殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)邊界保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)73-98
• 5.1 殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)邊界保護(hù)控制系統(tǒng)框圖73-75
• 5.1.1 反饋線性化控制器系統(tǒng)框圖74
• 5.1.2 過失速機(jī)動(dòng)邊界保護(hù)控制器系統(tǒng)框圖74-75
• 5.2 殲擊機(jī)反饋線性化控制律75-83
• 5.2.1 反饋線性化的理論基礎(chǔ)75-77
• 5.2.2 多輸入多輸出系統(tǒng)的反饋線性化77-80
• 5.2.3 先進(jìn)殲擊機(jī)反饋線性化控制器設(shè)計(jì)80-83
• 5.3 基于魯棒模型預(yù)測控制的狀態(tài)受約束控制律83-89
• 5.3.1 不確定系統(tǒng)的線性分式描述及預(yù)測方程84-85
• 5.3.2 Minmax優(yōu)化問題描述85-87
• 5.3.3 魯棒約束問題的描述87-88
• 5.3.4 魯棒模型預(yù)測控制的終端穩(wěn)定性約束88-89
• 5.4 基于反饋線性化魯棒模型預(yù)測控制律設(shè)計(jì)89-92
• 5.4.1 線性分式結(jié)構(gòu)90-91
• 5.4.2 線性系統(tǒng)的離散化91
• 5.4.3 魯棒模型預(yù)測控制律的參數(shù)選擇91-92
• 5.5 殲擊機(jī)過失速機(jī)動(dòng)仿真及結(jié)果分析92-96
• 5.5.1 普加喬夫眼鏡蛇機(jī)動(dòng)93
• 5.5.2 繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)93
• 5.5.3 Herbst俯仰滾轉(zhuǎn)耦合機(jī)動(dòng)93-96
• 5.6 殲擊機(jī)過失速繞速度矢量軸滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)邊界保護(hù)96
• 5.7 本章小結(jié)96-98
• 第六章 總結(jié)與展望98-100
• 6.1 本文的主要工作98-99
• 6.2 本文的不足與展望99-100
• 參考文獻(xiàn)100-106
• 致謝106-107
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文107-108
• 附錄1 殲擊機(jī)力及力矩氣動(dòng)系數(shù)108-109

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本文編號：640361