考虑非线性影响的飞翼布局无人机多舵面分配方法研究

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大展弦比飞翼布局相比常规布局具有升阻比高、隐身性能好等优势,目前已经成为高空长航时无人机经常采用的气动布局形式之一。为提高系统可靠性,飞翼布局无人机一般布置有多个舵面。如何协调多舵面偏转使无人机能够安全可靠飞行,如何满足舵面的位置、速率等约束,这些都是飞翼布局无人机控制系统设计必须解决的问题。控制分配技术是解决多舵面飞翼布局无人机控制的一种有效技术途径。本文以大展弦比飞翼布局无人机为研究对象,针对舵面操纵力矩与附加气动力强耦合、舵效存在单调及非单调非线性特性、机翼弹性变形对舵面操纵影响等问题,展开了控制分配方法的研究。主要研究工作和创新点如下:(1)深入分析了大展弦比飞翼布局无人机多舵面操纵特性。针对大展弦比飞翼布局无人机的舵面特点,分析了升降副翼及阻力方向舵的操纵特点及使用方式。研究了大展弦比飞翼布局无人机舵面的操纵力矩与附加气动力间的耦合特性,非线性特性,以及弹性变形对舵效的影响。(2)研究了线性分配方法在飞翼布局无人机上的应用。分别采用显式组合法、广义逆法和不动点法三类控制分配方法对飞翼布局无人机舵面分配。结果表明,带补偿显式组合法、再分配广义逆法和不动点法三种方法可以实现对力矩指令的成功分配。计算时间上,带补偿显式组合法和再分配广义逆法均较短,不动点法采用迭代格式求解,计算时间较长;用舵量方面,不动点法最小,再分配广义逆法略大于不动点法,带补偿显式组合法最大。(3)提出了考虑交叉耦合效应的控制分配方法。分析了阻力方向舵与临近舵面间的交叉耦合效应,研究了两种考虑交叉耦合效应的控制分配方法。第一种是序列线性规划法,第二种是基于补偿的线性规划法。对两种方法在分配精度、计算量和用舵量等方面进行对比。结果表明,两种方法均可以精确地对指令进行分配,基于补偿的线性规划法的用舵量要大于序列线性规划法,但基于补偿的线性规划法的实时性要明显好于序列线性规划法。(4)针对舵效存在非单调非线性的问题,提出了一种基于序列二次规划法的控制分配方法。首先使用拟合方法得到了舵偏到操纵力矩的多项式函数,然后将考虑舵效非单调非线性的控制分配问题转化为标准序列二次规划问题,最后利用序列二次规划算法进行求解。仿真结果表明,相比线性分配方法,基于序列二次规划法的控制分配方法可以更精确地对指令进行分配,有效降低分配误差。(5)提出了基于主要目标法的多目标控制分配方法。飞翼布局无人机在不同飞行条件和任务阶段时,为实现不同的任务需求,舵面分配要兼顾多个目标。首先给出了飞翼布局无人机在不同任务阶段的不同优化目标,然后阐述了如何利用主要目标法将多目标优化问题转化为单目标优化问题,最后具体给出了阻力最小、阻力最大和升力最大三种常见多目标分配问题。仿真结果表明,基于主要目标法的多目标分配方法可以实现对特定目标的优化。(6)提出了一种考虑弹性影响的开环分配算法。通过弹性模态广义坐标计算舵面局部迎角,得到当前变形下的舵效模型,使用该舵效模型进行控制分配。仿真表明,考虑弹性影响的开环分配算法可以准确地对指令进行分配,舵面使用未超出舵面约束范围,分配结果合理可行。(7)提出了一种考虑弹性影响的闭环分配算法。该方法需要用逆模型法求解当前真实操纵力矩,对该方法的数学原理进行了推导,并分析了该方法的稳定性条件,最后从频域特性角度对闭环分配方法的性能进行了分析。对考虑弹性影响的闭环控制分配方法的有效性进行了仿真验证,并与开环控制分配方法进行了对比。结果表明,考虑弹性的闭环分配方法可以对指令进行较为准确地分配,其分配误差要略大于考虑弹性的开环分配算法。(8)设计了基于扩张状态观测器的动态逆基本控制律,并对整个飞行控制系统进行了仿真验证。按照时间尺度对状态变量进行分组,分组后采用基于扩张状态观测器的动态逆控制分别设计了快变量控制器和慢变量控制器。以指令跟踪仿真和航线飞行仿真两种方式验证了整个飞行控制系统的可行性。
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