民用飛機(jī)陣風(fēng)減緩控制研究

民用飛機(jī)陣風(fēng)減緩控制研究

1陣風(fēng)試驗(yàn)技術(shù)民用飛機(jī)在行駛和機(jī)動(dòng)性飛行過程中不可避免地會受到氣候變化的影響，產(chǎn)生氣動(dòng)力和扭矩，這將給飛機(jī)帶來不希望的額外負(fù)荷，導(dǎo)致飛機(jī)在飛行過程中產(chǎn)生振動(dòng)和癱瘓。當(dāng)產(chǎn)生的附加過載很大時(shí),一方面破壞所要求的飛行品質(zhì),使飛機(jī)承受很大的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)載荷,不但使飛機(jī)難于操縱,而且機(jī)體容易疲勞損壞;另一方面也將嚴(yán)重影響飛行員及乘客乘坐的舒適感。利用主動(dòng)控制技術(shù)來進(jìn)行陣風(fēng)載荷減緩(GustLoadAlleviation,GLA)是目前成功且有效的方法,其潛在優(yōu)勢是減小飛機(jī)結(jié)構(gòu)、減輕乘員(飛行員及乘客)的疲勞感,達(dá)到減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量和提高乘坐舒適性的目的國內(nèi)對基于主動(dòng)控制的民用飛機(jī)陣風(fēng)減緩技術(shù)已取得許多研究成果。其中,高金源2風(fēng)速緩沖法的設(shè)計(jì)2.1垂直紊流風(fēng)的譜密度大氣紊流是指疊加在常值風(fēng)上的連續(xù)隨機(jī)脈沖。通常認(rèn)為紊流是一種平穩(wěn)、均勻、各態(tài)經(jīng)歷及各向同性的隨機(jī)過程。水平前向風(fēng)相對于飛行速度是小量,所以陣風(fēng)載荷減緩系統(tǒng)在縱向僅考慮垂直紊流風(fēng)的影響。取垂直紊流風(fēng)的一維Dryden譜,其功率譜密度函數(shù)式中:Ω為空間頻率,L上述功率譜密度是有色噪聲,使用不便。由于Dryden譜為有理譜,根據(jù)有理譜成形理論,可認(rèn)為紊流是由單位強(qiáng)度白噪聲作為輸入的一個(gè)成形濾波器的輸出。即使用單位強(qiáng)度的白色噪聲r(shí)(t)通過一個(gè)傳遞函數(shù)為G(s)的濾波器產(chǎn)生隨機(jī)過程x(t),則x(t)的頻譜函數(shù)為:對于傳遞函數(shù)(4),輸入為白色噪聲η(s),其輸出即為垂直紊流?？杀硎敬怪蔽闪鳛?2.2附加控制波式垂直陣風(fēng)w式中,w本文使用升降副翼和內(nèi)側(cè)擾流片作為直接升力控制舵面實(shí)現(xiàn)陣風(fēng)載荷減緩控制。附加控制舵面同時(shí)向上或向下偏轉(zhuǎn),將產(chǎn)生向下或向上的法向氣動(dòng)力。這里,結(jié)合飛機(jī)小擾動(dòng)方程和陣風(fēng)的數(shù)學(xué)模型,重新選擇狀態(tài)變量,可建立含陣風(fēng)的飛機(jī)縱向動(dòng)力學(xué)增廣狀態(tài)方程式中:Δv,Δα,Δq,Δθ,Δh分別為空速、迎角、俯仰角速率、俯仰角、飛行高度,Δα2.3陣風(fēng)擾動(dòng)控制理論陣風(fēng)減緩控制,其目的之一在于通過主動(dòng)控制技術(shù)使機(jī)上的乘員在風(fēng)干擾條件下也感到乘坐舒適,有時(shí)也被稱為乘坐品質(zhì)控制。兩者都是通過主動(dòng)控制技術(shù)減少陣風(fēng)干擾條件下可能引起的過載。盡管這兩種控制的稱呼不同,但都是根據(jù)風(fēng)干擾條件下載荷減緩的程度來衡量其控制效果的。因此,可以認(rèn)為這兩種技術(shù)是從不同角度出發(fā)的具有相同功能的主動(dòng)控制技術(shù)。乘坐品質(zhì)舒適指數(shù)可以用來衡量陣風(fēng)減緩控制系統(tǒng)的效果,因此,本文MOPSO_PID算法優(yōu)化的適應(yīng)值函數(shù)也據(jù)此選取式中,a2.4控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案1:選取俯仰角速率,質(zhì)心處法向過載作為反饋信號;選取副翼和升降舵作為GLA系統(tǒng)的控制面。將俯仰角速率陀螺采集的俯仰角速率信號通過控制增益?zhèn)魉徒o升降舵;將質(zhì)心處法向過載通過控制增益?zhèn)魉徒o副翼?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖1所示。方案2:選取俯仰角速率,質(zhì)心處法向過載作為反饋信號;選取內(nèi)側(cè)擾流片和升降舵作為GLA系統(tǒng)的控制面。將俯仰角速率陀螺采集的俯仰角速率信號通過控制增益?zhèn)魉徒o升降舵;將質(zhì)心處法向過載通過控制增益?zhèn)魉徒o擾流片?？刂平Y(jié)構(gòu)圖與圖1類似。方案3:選取俯仰角速率,質(zhì)心處法向過載作為反饋信號;選取副翼、內(nèi)側(cè)擾流片和升降舵作為GLA系統(tǒng)的控制面。將俯仰角速率陀螺采集的俯仰角速率信號通過控制增益?zhèn)魉徒o升降舵;將質(zhì)心處法向過載通過控制增益?zhèn)魉徒o副翼和擾流片。控制結(jié)構(gòu)圖與圖1類似。其中,PID控制器的參數(shù)由改進(jìn)算法MOPSO_PID整定(如圖1中所示)。3mopsopid算法3.1跟蹤兩個(gè)“極值”粒子群優(yōu)化算法PSO初始化為一群隨機(jī)粒子(隨機(jī)解),然后通過迭代找到最優(yōu)解。在每一次迭代中,粒子通過跟蹤兩個(gè)“極值”來更新自己,第一個(gè)是粒子本身所找到的最優(yōu)解,此值叫做個(gè)體極值pBest;另一個(gè)極值是整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解,此值是全局極值gBest。在找到這兩個(gè)最優(yōu)值時(shí),粒子根據(jù)如下公式來更新自己的速度和位置:其中,V[]是粒子的速度,x[]是粒子的位置,p式中,T3.2pareto最優(yōu)性理論在實(shí)際工程應(yīng)用領(lǐng)域中普遍存在著對多個(gè)目標(biāo)的方案、計(jì)劃以及設(shè)計(jì)的決策問題。在解決這類問題時(shí),尋求滿足多個(gè)目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)方案,這就是所謂的多目標(biāo)優(yōu)化問題假定某決策過程,需要同時(shí)考察k個(gè)目標(biāo),且要求所有目標(biāo)函數(shù)在滿足約束的條件下越小越好,則這樣的優(yōu)化問題可以表述如下其中F(X)為優(yōu)化目標(biāo)向量,g(X)為約束向量,X為決策變量。對于(13)式所描述的多目標(biāo)優(yōu)化問題來說,其所包含的不同目標(biāo)函數(shù)之間往往存在著一定的矛盾沖突,因此在求解過程中,很難在問題的約束集合R中找到一個(gè)解向量,能夠使k個(gè)目標(biāo)函數(shù)同時(shí)達(dá)到最小。法國經(jīng)濟(jì)學(xué)家V.Pareto最早研究經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域內(nèi)的多目標(biāo)優(yōu)化問題,發(fā)明了Pareto最優(yōu)性理論,其用Pareto支配(ParetoDominance)原則,作為判斷多目標(biāo)優(yōu)化問題解優(yōu)劣的依據(jù),并定義了Pareto最優(yōu)集(Pareto-optimalset)。定義一:對最小化MO問題,ue055兩個(gè)目標(biāo)向量u=(u定義二:對于最小化MO問題,ue055目標(biāo)向量u=(f所有滿足上述定義二的解的集合,構(gòu)成了MO問題的Pareto最優(yōu)解集,又稱為非劣解集。假若記MO問題的最優(yōu)解集為P3.3子代子代平均變化的計(jì)算本文采用基于Pareto的方法(Pareto-basedapproaches)設(shè)計(jì)MOPSO算法子代的速度由下式計(jì)算:MOPSO_PID算法完整步驟如下:1)將PID控制器各參數(shù)作為算法決策變量,且隨機(jī)初始化種群中各粒子的位置和速度;2)評價(jià)每個(gè)粒子的適應(yīng)值,將當(dāng)前各粒子的位置和適應(yīng)值存儲在各粒子的pbest中,將所有pbest中的適應(yīng)值最優(yōu)個(gè)體的位置和適應(yīng)值存儲于gbest中,并利用莊家法則構(gòu)造Pareto最優(yōu)解集來計(jì)算當(dāng)前的非支配解集C;3)根據(jù)式(11)更新每個(gè)粒子的速度和位置,其中慣性權(quán)重w按式(12)計(jì)算;4)對每個(gè)粒子,將其適應(yīng)值與其經(jīng)歷的最好位置比較,選較好值為當(dāng)前最好位置gbest;5)比較當(dāng)前所有pbest和gbest的值,更新gbest,更新P6)根據(jù)雜交概率選取指定數(shù)量的粒子放入雜交池,池中的粒子隨機(jī)兩兩雜交產(chǎn)生同樣數(shù)目的子代粒子,子代的位置和速度按式(15)和(16)計(jì)算,且保持pbest和gbest不變;7)若滿足停止條件(通常為預(yù)設(shè)的運(yùn)算精度或迭代次數(shù)),搜索停止,輸出結(jié)果,否則返回3)繼續(xù)搜索。4基于gla控制系統(tǒng)的仿真基于線性小擾動(dòng)原理,對給定飛行狀態(tài):h=5000m,Ma=0.5,進(jìn)行配平線性化,得到某型飛機(jī)在該狀態(tài)點(diǎn)的線性方程。大氣紊流采用Dryden模型,參數(shù)參考GIB185-86的規(guī)定,L作動(dòng)器考慮了位置限制、速率限制和舵機(jī)特性。升降舵δ1)首先設(shè)計(jì)控制増穩(wěn)系統(tǒng)(ControlAugmentationSystems,CAS),使過載響應(yīng)能夠較好的跟蹤上駕駛桿輸入,設(shè)計(jì)控制律為:利用MOPSO_PID算法調(diào)參得到:2)無GLA控制系統(tǒng)的増穩(wěn)飛機(jī)進(jìn)行仿真,得到其過載響應(yīng)曲線如圖2所示。3)采用方案1實(shí)現(xiàn)GLA,此時(shí)控制律為:優(yōu)化調(diào)參得到k4)采用方案2實(shí)現(xiàn)GLA,此時(shí)控制律為:優(yōu)化調(diào)參得到k5)采用方案3實(shí)現(xiàn)GLA,此時(shí)控制律為:優(yōu)化調(diào)參得到k6)對各方案過載響應(yīng)作統(tǒng)計(jì)分析,見表1。5gla控制方案設(shè)計(jì)對模型的仿真本文對設(shè)計(jì)的三種GLA控制方案分別進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,其中的控制器參數(shù)是采用MOPSO_PID算法得到的。MOPSO_PID算法就是將改進(jìn)的基于遺傳雜交思想的MOP-SO算法應(yīng)用到PID控制器參數(shù)優(yōu)化中去。通過對三種GLA控制方案的仿真、調(diào)參,得到了各種控制方案的過載響應(yīng)以及對應(yīng)統(tǒng)計(jì)值,統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:方案1~3均能起到陣風(fēng)減緩的作用,其中方案3效果最好,但是它的直接升力舵面為副翼和內(nèi)側(cè)擾流片,在僅有副翼作為直接升力舵面的飛機(jī)上,