本文關(guān)鍵詞：未知故障下飛機的自適應(yīng)飛行安全控制

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【摘要】：近年來,由于航空科學(xué)的發(fā)展,飛機已經(jīng)成為一種比較常用的交通工具,對于飛機制造商、飛行員和乘客來講,飛行安全一直是首要考慮的問題。盡管現(xiàn)代飛機已經(jīng)使用了很多安全措施,包括采用多重的傳感器系統(tǒng)和冗余的執(zhí)行機構(gòu)等,但飛行事故還是難以避免。由于飛行員在駕駛艙內(nèi)僅能夠得到的有限的信息,有時很難正確的判斷問題所在和保持穩(wěn)定飛行控制。飛行安全控制系統(tǒng)可以輔助飛行員進行正確的判斷和操作,這對提高故障或者受損后飛機的生存能力具有重要意義。本文提出了一種基于平穩(wěn)飛行狀態(tài)的自適應(yīng)飛行安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),結(jié)合完整的非線性飛機動力學(xué)模型,針對未知故障下飛行安全控制中的若干關(guān)鍵問題,包括故障后飛機的迅速自適應(yīng)穩(wěn)定控制和平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤、在線系統(tǒng)辨識和平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索等,展開了研究。論文的主要研究工作如下:首先,建立了雙引擎固定翼飛機的非線性動力學(xué)模型,并進行了線性化分析。針對NASA雙引擎通用飛機模型GTM,研究了故障后飛機系統(tǒng)的自適應(yīng)飛行控制方法。設(shè)計了基于追溯代價的自適應(yīng)控制方法對多種故障情況下的飛機進行穩(wěn)定控制,包括控制舵面故障、氣動力系數(shù)變化、機體結(jié)冰和引擎故障等情況。相對于傳統(tǒng)的基于故障診斷信息的容錯控制策略,該方法可以在未知故障具體信息情況下根據(jù)控制輸入與系統(tǒng)輸出來迅速調(diào)節(jié)控制器增益,利用執(zhí)行器在功能上的冗余使飛機系統(tǒng)迅速達到穩(wěn)定。其次,針對無法精確判斷故障信息的情況,為了逐步得到足夠的平穩(wěn)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和飛行包絡(luò)線信息,針對飛機局部小范圍線性化模型,設(shè)計了基于追溯代價的在線系統(tǒng)辨識方法RCSI,該方法可以將辨識目標(biāo)集中在一個特定的子系統(tǒng)上,解決了當(dāng)目標(biāo)子系統(tǒng)的輸入輸出無法進行精確測量時的系統(tǒng)辨識問題。此外,對飛機局部小范圍線性化模型中不確定的參數(shù)辨識進行了大量的仿真分析,包括常值參數(shù)估計、時變參數(shù)估計和多參數(shù)估計,分析了不同量測噪聲情況下的估計精度與估計速度。針對狀態(tài)矩陣中重復(fù)出現(xiàn)參數(shù)的辨識,設(shè)計了一種基于雅克比矩陣的子系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu),并在飛機縱向線性化運動模型的基礎(chǔ)上對飛行速度變化進行了估計。以飛機左翼受損的情況為例,在局部小范圍線性化模型的基礎(chǔ)上,運用RCSI系統(tǒng)辨識算法實現(xiàn)了全部參數(shù)的精確辨識。再次,針對部分故障情況需要在線建立滿足迫降軌跡規(guī)劃的平穩(wěn)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的問題,提出了一種基于人工勢場法的故障后飛機平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法,利用局部飛行包絡(luò)線信息建立了基于吸引勢力與排斥勢力的探索規(guī)劃流程。對二維探索算法容易陷入局部極小值和探索效率低的問題,提出了三維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法,通過仿真分析驗證了算法的有效性。針對平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索過程中的飛行軌跡可行性問題,考慮不同應(yīng)用情況提出了兩種結(jié)合飛行狀態(tài)空間和物理空間的避障算法。第一種算法中,物理空間障礙被映射為飛行狀態(tài)空間內(nèi)的排斥勢力,該算法優(yōu)點是可以保持受損飛機飛行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡,避免飛行狀態(tài)劇烈變化導(dǎo)致故障惡化;第二種為基于預(yù)測路徑的避障算法,其可以以最快速度避開物理空間障礙提高狀態(tài)探索過程中的避障效率。仿真結(jié)果驗證了兩種避障算法的有效性。最后,研究了基于追溯代價的自適應(yīng)平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤算法,在雙引擎通用飛機模型的基礎(chǔ)上,對控制器的魯棒性能和跟蹤精度進行了評估,驗證了算法的有效性。針對故障情況有進一步惡化的可能,將平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令進行了擴展,設(shè)計了具有包絡(luò)線保護效果的自適應(yīng)指令跟蹤控制結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明這種控制結(jié)構(gòu)可以有效的提高故障后飛機系統(tǒng)的安全性。并應(yīng)用本文所設(shè)計的指令跟蹤算法對左翼受損的GTM模型進行了完整的緊急著陸控制仿真,實現(xiàn)了受損飛機的安全著陸。
【關(guān)鍵詞】：飛行安全控制系統(tǒng) 未知故障 飛行指令跟蹤 自適應(yīng)控制 在線系統(tǒng)辨識 平穩(wěn)飛行狀態(tài)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V328;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 緒論13-27
• 1.1 課題研究背景和意義13-16
• 1.2 飛行安全控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-17
• 1.3 飛行安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)17-25
• 1.3.1 故障下飛機的穩(wěn)定控制算法21-22
• 1.3.2 飛機動力學(xué)模型在線系統(tǒng)辨識22-23
• 1.3.3 平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索23-24
• 1.3.4 平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤24-25
• 1.4 論文內(nèi)容及章節(jié)安排25-27
• 第2章 受損飛機的RCAC自適應(yīng)穩(wěn)定控制27-53
• 2.1 引言27-28
• 2.2 GTM飛機模型概述28-29
• 2.3 GTM系統(tǒng)動力學(xué)模型分析29-36
• 2.4 RCAC自適應(yīng)控制器設(shè)計36-40
• 2.5 飛機氣動力系數(shù)變化時的平穩(wěn)飛行控制40-49
• 2.5.1 機體z軸氣動力系數(shù)變化下的穩(wěn)定控制40-44
• 2.5.2 機體x軸氣動力系數(shù)變化情況下的穩(wěn)定控制44-46
• 2.5.3 結(jié)冰情況下的穩(wěn)定控制46-49
• 2.6 控制舵面發(fā)生故障時的穩(wěn)定控制49-50
• 2.7 引擎發(fā)生故障時的穩(wěn)定控制50-52
• 2.8 本章小結(jié)52-53
• 第3章 飛機系統(tǒng)參數(shù)變化情況下的在線系統(tǒng)辨識53-74
• 3.1 引言53-54
• 3.2 RCSI系統(tǒng)辨識算法54-59
• 3.2.1 RCSI系統(tǒng)辨識算法結(jié)構(gòu)54-56
• 3.2.2 RCSI系統(tǒng)辨識算法設(shè)計56-59
• 3.3 飛機狀態(tài)方程參數(shù)在線辨識59-67
• 3.3.1 單一常值參數(shù)在線辨識60-63
• 3.3.2 多參數(shù)在線辨識63-64
• 3.3.3 時變參數(shù)在線辨識64-65
• 3.3.4 RCSI與其它參數(shù)估計算法的對比分析65-67
• 3.4 多位置重復(fù)參數(shù)辨識67-71
• 3.4.1 多位置重復(fù)參數(shù)辨識算法結(jié)構(gòu)67-68
• 3.4.2 仿真實例68-71
• 3.5 左翼受損飛機線性化模型辨識71-73
• 3.6 本章小結(jié)73-74
• 第4章 受損飛機平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索的算法研究74-107
• 4.1 引言74-76
• 4.2 平穩(wěn)飛行狀態(tài)定義與計算76-79
• 4.3 平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索定義79-81
• 4.4 二維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索81-88
• 4.4.1 二維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法81-86
• 4.4.2 二維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索仿真實例86-88
• 4.5 三維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索88-94
• 4.5.1 三維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法88-92
• 4.5.2 三維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索仿真實例92-94
• 4.6 平穩(wěn)過渡優(yōu)先的避障TSD算法94-101
• 4.6.1 算法流程94-96
• 4.6.2 仿真實例96-101
• 4.7 效率優(yōu)先的避障TSD算法101-106
• 4.7.1 算法流程101-104
• 4.7.2 仿真實例104-106
• 4.8 本章小結(jié)106-107
• 第5章 平穩(wěn)飛行狀態(tài)下的自適應(yīng)指令跟蹤107-125
• 5.1 引言107
• 5.2 控制舵面卡死情況下的自適應(yīng)指令跟蹤107-111
• 5.3 存在系統(tǒng)建模誤差情況下的自適應(yīng)指令跟蹤111-113
• 5.4 擴展平穩(wěn)飛行狀態(tài)的自適應(yīng)指令跟蹤113-119
• 5.4.1 擴展平穩(wěn)飛行狀態(tài)定義及指令跟蹤算法結(jié)構(gòu)113-116
• 5.4.2 空速傳感器故障情況下的指令跟蹤116-118
• 5.4.3 具有包絡(luò)線保護效果的指令跟蹤118-119
• 5.5 RCAC在平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索中的應(yīng)用119-120
• 5.6 左翼受損情況下的緊急著陸控制120-123
• 5.7 本章小結(jié)123-125
• 結(jié)論125-127
• 參考文獻127-139
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果139-141
• 致謝141-142
• 個人簡歷142

【相似文獻】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 鐘佳朋;未知故障下飛機的自適應(yīng)飛行安全控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2016年

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本文編號：747588