基于地速控制的空速控制控制方法研究

基于地速控制的空速控制控制方法研究

0航跡跟蹤優(yōu)化軌道跟蹤和跟蹤是全球作戰(zhàn)計(jì)劃實(shí)施的重要因素?，F(xiàn)代綜合航空生產(chǎn)的電子通信能力主要由三個(gè)子系統(tǒng)組成：飛機(jī)管理、飛機(jī)指導(dǎo)和飛機(jī)控制。飛行管理系統(tǒng)接收地面指揮中心的航路規(guī)劃方案和導(dǎo)航系統(tǒng)給出的位置信息反饋計(jì)算參考航跡和實(shí)際航跡,飛行導(dǎo)引系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)引律產(chǎn)生飛行控制所需要的期望狀態(tài)使航跡誤差趨于0,飛行控制系統(tǒng)根據(jù)期望狀態(tài)和機(jī)載傳感器測(cè)量實(shí)際狀態(tài)之間的誤差產(chǎn)生舵面和推力控制指令。通常航路規(guī)劃結(jié)果是給定的一系列航路點(diǎn)坐標(biāo),如果對(duì)飛行時(shí)間有要求還要給出各個(gè)航路點(diǎn)的時(shí)刻。文獻(xiàn)[1-2]在高度和空速不變的假設(shè)下采用B樣條插值法擬合水平面內(nèi)期望航跡,平滑的參考軌跡能減少控制難度和誤差。文獻(xiàn)[3]將整條航路分為直線飛行和轉(zhuǎn)彎飛行階段,在導(dǎo)航坐標(biāo)系下修正側(cè)向航跡偏差,文獻(xiàn)[4]給出了側(cè)向加速度補(bǔ)償算法。文獻(xiàn)[5-7]將PID控制器和其他控制方法相結(jié)合,提高了控制精度和自適應(yīng)能力。文獻(xiàn)[8-10]采用視線制導(dǎo)算法實(shí)現(xiàn)了編隊(duì)跟蹤飛行,但無(wú)法有效消除航跡的橫向偏差。文獻(xiàn)[11]選取參考航跡上一系列固定點(diǎn)作為導(dǎo)航點(diǎn),假設(shè)風(fēng)速不變?cè)O(shè)計(jì)了速度控制器,設(shè)計(jì)姿態(tài)控制器控制速度坐標(biāo)系對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)航點(diǎn)。文獻(xiàn)[12-14]將航跡跟蹤問題轉(zhuǎn)化為對(duì)參考航跡上移動(dòng)虛擬目標(biāo)的跟蹤,通過(guò)合理選擇虛擬目標(biāo)間距和速度,使跟蹤側(cè)偏距和航向誤差趨于0。PID控制器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn),在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前側(cè)向偏差控制算法已比較成熟,本文主要研究影響到達(dá)時(shí)間的航向距離控制,采用PID控制器解決飛航式飛行器航向位置跟蹤問題,為提高存在陣風(fēng)干擾時(shí)的控制精度,根據(jù)衛(wèi)星/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)反饋的地速和位置信息進(jìn)行比例積分控制,利用加速度計(jì)反饋的加速度信息進(jìn)行內(nèi)環(huán)微分控制以提高動(dòng)態(tài)跟蹤性能。1空速保持控制的基本原理巡航飛行是指起飛行器為執(zhí)行遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)而選擇的經(jīng)濟(jì)性較好的飛行狀態(tài)。目前典型巡航飛行方式主要有:馬赫數(shù)保持巡航、飛行高度保持巡航和發(fā)動(dòng)機(jī)額定推力巡航等。飛行器起飛進(jìn)入預(yù)定巡航起點(diǎn)位置后,即可選擇接通自動(dòng)駕駛儀中的空速保持器或者高度保持器。大多空氣動(dòng)力參數(shù)和空速(馬赫數(shù))有關(guān),不變的空速可以減少氣流對(duì)高度等飛行參數(shù)的干擾,保證控制器穩(wěn)定工作,防止出現(xiàn)失速等情況引起安全事故。典型空速保持控制結(jié)構(gòu)圖1中,v水平風(fēng)的階躍變化將無(wú)滯后的影響空速,而地速的變化則是遲后發(fā)生的,如果把受陣風(fēng)直接影響的空速信號(hào)反饋給推力,推力將會(huì)變的非常不平滑,附加互補(bǔ)濾波器能夠抑制來(lái)自紊流和發(fā)動(dòng)機(jī)噪音的高頻信號(hào)部分,為了補(bǔ)償風(fēng)切邊的影響和減小穩(wěn)態(tài)空速偏差,推力控制器還要具有積分特性。虛線框中受控體各變量的拉氏換有以下關(guān)系:根據(jù)式(1)可解算出空速和加速度為陣風(fēng)干擾對(duì)空速和地速的作用方程為所以,干擾對(duì)地速的作用相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器,而對(duì)空速的作用相當(dāng)于經(jīng)過(guò)一個(gè)高通濾波器。從δ保持空速時(shí)v式中:第1項(xiàng)是除去發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性以外的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù),其中互補(bǔ)濾波器部分的分母和分子階數(shù)相同,設(shè)計(jì)濾波器在穿越頻率附近相位損失很小,因而它在穩(wěn)定性方面對(duì)控制回路的影響很小。這些濾波器對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的作用則完全不同,這可由第2項(xiàng)看出,它表征了陣風(fēng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸入信號(hào)的影響,這個(gè)信號(hào)在低頻范圍內(nèi)應(yīng)盡量放大,但在發(fā)動(dòng)機(jī)所允許的頻率以上時(shí)應(yīng)盡快抑制。設(shè)計(jì)參數(shù)滿足:則有擾動(dòng)變量v使得互補(bǔ)濾波器對(duì)擾動(dòng)變量有二階滯后特性,在正v2受制保護(hù)的引力通過(guò)對(duì)空速保持控制分析可知,低頻率的干擾容易引起地速改變,這將導(dǎo)致飛行時(shí)間難以控制,因此可以考慮用地速反饋來(lái)代替空速反饋,實(shí)現(xiàn)地速保持,控制結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中v由式(2)得被控對(duì)象地速和推力及陣風(fēng)干擾關(guān)系:發(fā)動(dòng)機(jī)油門信號(hào)為保持地速時(shí)v2個(gè)濾波器對(duì)推力和干擾的作用是相同的,如果仍像空速保持那樣設(shè)計(jì)對(duì)推力相位損失為0,那么對(duì)高頻干擾就沒有抑制效果?？紤]到在受控對(duì)象中干擾到地速的傳遞函數(shù)本身就具有低通濾波作用,所以地速保持控制中可以去掉這2個(gè)濾波器,即T顯然,地速和加速度反饋經(jīng)過(guò)積分器相當(dāng)于PI控制器,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定,選擇控制參數(shù)遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序,斷開加速度和地速反饋回路,得到加速度反饋開環(huán)傳遞函數(shù)依據(jù)根軌跡選擇滿足控制性能要求的增益k同樣根據(jù)該傳遞函數(shù)的根軌跡確定能使系統(tǒng)穩(wěn)定且具有良好性能的增益k3基于位置信息的跟蹤控制器設(shè)計(jì)如果要實(shí)時(shí)跟蹤變化的參考位置信號(hào),控制器還必須增加微分環(huán)節(jié)才能具備良好的動(dòng)態(tài)性能,除了反饋地速和加速度信號(hào)外還需要反饋位置信息,即構(gòu)成PID控制器,在地速保持控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)位置跟蹤控制器,如圖3所示。圖3中R根據(jù)式(8)得到位置信號(hào)的拉氏變換位置跟蹤PID控制器的發(fā)動(dòng)機(jī)油門信號(hào)為從干擾信號(hào)到油門信號(hào)的開環(huán)傳遞函數(shù)為可以根據(jù)該傳遞函數(shù)頻率特性設(shè)計(jì)對(duì)干擾信號(hào)的抑制動(dòng)態(tài)特性,保證發(fā)動(dòng)機(jī)輸入信號(hào)平靜。若將位置反饋斷開,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為位置反饋回路為第3層外環(huán),增益k4模擬測(cè)試某型飛機(jī)巡航高度h=1×104.1控制器的響應(yīng)設(shè)置濾波器參數(shù)T以增益k為觀察控制器的階躍響應(yīng)特性,設(shè)置參考空速和參考地速為t=10s時(shí)刻開始的幅值2m/s階躍信號(hào),即v沒有干擾的情況下,對(duì)于10s時(shí)刻的參考速度階躍變化,2種控制器的響應(yīng)是相同的。100s時(shí)刻風(fēng)速突變幾乎瞬時(shí)無(wú)延遲的引起等量的空速改變,在空速保持控制器的作用下,空速和地速都會(huì)增加,穩(wěn)定后的空速恢復(fù)到干擾加入前水平,而地速提高的幅度等于風(fēng)速增加量;在地速保持控制器的作用下,地速幾乎不受影響,而空速降低后保持不變,減小量等于風(fēng)速增加量。在傳統(tǒng)空速控制方式下,地速受到隨機(jī)風(fēng)干擾,整個(gè)飛行過(guò)程不能被精確控制的,因此到達(dá)時(shí)間也只能通過(guò)預(yù)測(cè)估計(jì)得到;若改為地速控制方式,地速基本不會(huì)受到干擾,飛行時(shí)間也是精確可控的。4.2益k位置反饋在4.1節(jié)設(shè)計(jì)的地速保持控制器基礎(chǔ)上,反饋增益k位置反饋開環(huán)傳遞函數(shù)有4個(gè)極點(diǎn),k參考地速為v在t=10s時(shí)刻,突然增加的指令速度引起推力增加,50s后推力穩(wěn)定在-6×105id控制器的安全原理以組合導(dǎo)航系統(tǒng)和加速度計(jì)測(cè)量得到的飛行器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作為反饋信號(hào),將移動(dòng)虛擬目標(biāo)以時(shí)間為基準(zhǔn)的航向位置、速度和加速度作為PID控制器的參考信號(hào),按時(shí)間控制飛行器的航向位置,即可準(zhǔn)確的控制其到達(dá)各個(gè)航