飛機的故障自修復技術研究樣本

飛機故障自修復技術研究姓名：學號：專業(yè)：學院：摘要飛機在飛行過程中，如果發(fā)生升降舵、副翼、方向舵等操縱面突然卡死或損傷等故障，會導致飛行品質嚴重減少，甚至會破壞飛行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性而導致飛機墜毀。本文以某型飛機模型為對象，重點研究飛機自修復飛行控制技術，在飛機浮現操縱面故障或者戰(zhàn)斗受損時，可以使飛機穩(wěn)定和恢復過程自動化，避免飛行事故發(fā)生。一方面，建立了某型飛機六自由度非線性方程，在MATLAB語言環(huán)境下運用三次樣條函數插值辦法對大量氣動力參數及氣動力矩參數數據進行了插值解決，并在此基本上建立了飛機正常和故障飛行仿真模型。另一方面，將神經網絡與逆系統(tǒng)理論結合，分別建立了飛機俯仰、滾轉和偏航操縱通道神經網絡逆系統(tǒng)，克服了老式逆系統(tǒng)設計中將不可忽視非線性關系用線性關系代替或者忽視弊端。再次，應用基于神經網絡動態(tài)逆辦法自適應跟蹤自修復控制方案對飛機在幾種典型故障下自修復控制進行了仿真研究?？朔藛渭冇镁€性控制系統(tǒng)理論來控制象飛機這樣復雜非線性系統(tǒng)魯棒性能較差問題。對由于建模誤差、不擬定因素等引起非線性系統(tǒng)逆誤差則由自組織模糊小腦模型關節(jié)控制器神經網絡來對消，以獲得預期控制效果，從而達到自修復控制目。核心詞:飛機自修復飛行控制神經網絡自適應控制逆系統(tǒng)一、研究目和意義飛機飛行過程中有時會發(fā)生機翼、平尾折斷或升降舵、副翼、方向舵等操縱面突然卡死現象，而駕駛員重要通過管理和監(jiān)控復雜飛行控制和導航等來操縱飛機。但是對于駕駛員來說，雖然是經驗豐富駕駛員，恰本地應付突發(fā)性故障和反常狀況是很困難。因而，在飛行控制系統(tǒng)設計時，運用故障自修復技術增長系統(tǒng)對故障適應能力，使飛機在遇到故障和危險時仍可安全飛行。事實上，飛機每一種控制操縱面偏轉都能產生不同軸向附加力矩，可以在飛機某操縱面發(fā)生故障時，將此外一側操縱面及其他操縱通道控制作用重新調節(jié)來消除或者減小故障操縱面影響，也就是說飛機控制操縱面之間存在著功能冗余。這就有了另一種提高飛行控制系統(tǒng)安全性辦法，即運用飛行控制操縱面功能冗余，通過控制軟件對控制效果進行再分派，把失效舵面力和力矩分派到其他功能完好控制舵面上，使出既有限操縱面故障或損傷飛機仍能安全飛行，這就是飛機故障自修復控制問題。對于飛機飛行控制系統(tǒng)而言，提高其可靠性是保障飛行安全規(guī)定。如果飛機具備故障自修復控制功能飛機控制系統(tǒng)，具備重要現實意義：當飛機浮現操縱面故障或者戰(zhàn)斗受損時，使飛機穩(wěn)定和恢復過程自動化，避免由于飛行員慌張之下作出錯誤判斷或解決不當而導致飛行事故，保障飛機繼續(xù)執(zhí)行任務或者安全返航，提高飛機安全性、可靠性和生存能力。二、國內外研究現狀飛機故障自修復技術研究從二十世紀七八十年代就開始了，陸續(xù)有了不少成果。1984年美國空軍動力實驗室制定了一項自修復飛控系統(tǒng)(SRFCS)研究籌劃，目是改進飛控系統(tǒng)可靠性、可維護性、可生存性并減少其生命周期代價。在二十世紀八十年代，許多學者都對偽逆法在飛控系統(tǒng)重構控制方面應用做了大量理論研究和仿真計算，1989年至1990年，美國空軍在F一15驗證機上進行了飛行驗證，表白其是一種有效重構控制辦法。1999年，美國啟動了無尾飛機飛控系統(tǒng)重構與自適應研究籌劃，目是為后來使用無尾隱身戰(zhàn)斗機研制一種可重構自適應飛行控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過機械計算機協(xié)調各種操縱機構動作，自動適應飛行條件以及飛機構型變化，自動補償操縱面有限故障或戰(zhàn)斗損傷對飛控系統(tǒng)影響。這一籌劃研制了一種動態(tài)逆辦法與神經網絡相結合最新飛行控制系統(tǒng)，采用在線神經網絡來調節(jié)相應盼望模型和實際飛機響應之間誤差，在故障或損傷發(fā)生后不需要故障精確信息就可使飛機穩(wěn)定，大大減少了整個自修復控制中系統(tǒng)辨識嚴格規(guī)定。這項技術將動態(tài)逆和神經網絡技術結合起來，并且在諸多飛機上得到成功應用，例如無尾戰(zhàn)斗機飛控系統(tǒng)等，這也闡明故障自修復控制技術進入了實用階段，自修復控制技術也是當代先進戰(zhàn)斗機技術規(guī)定之一。在國內航空領域，飛行控制系統(tǒng)自修復控制己成為研究重點之一。南京航空航天大學和北京航空航天大學為飛機自修復控制研究奠定了一定理論和實踐基本，近幾年來在結合工程實際基本上獲得了某些階段性研究成果。三、研究詳細內容1、建立數學模型建立某型飛機六自由度非線性方程，在MATLAB語言環(huán)境下運用三次樣條函數插值辦法對大量氣動力參數及氣動力矩參數數據進行了插值解決，并在此基本上建立了飛機正常和故障飛行仿真模型。飛機動力學仿真是在飛機普通運動方程基本上依照仿真目的需求建立仿真數學模型，描述飛機在地面上運動和空中飛行時性能和動態(tài)特性。2、分析所建立數學模型將神經網絡與逆系統(tǒng)理論結合，采用直接逆系統(tǒng)辨識辦法建立了飛機操縱通道BP神經網絡逆系統(tǒng)。飛機操縱通道中存在三個互相耦合子系統(tǒng):滾轉、偏航和俯仰子系統(tǒng)。因而需要三個BP神經網絡來分別建立飛機三個操縱通道逆系統(tǒng)模型。運用BP神經網絡建立飛機俯仰、滾轉和偏航通道神經網絡逆系統(tǒng)，可以抵消對象非線性耦合特性和時變特性，使系統(tǒng)成為若干積分環(huán)節(jié)串聯(lián)線性化解耦時不變系統(tǒng)(偽線性系統(tǒng))。把一種非線性系統(tǒng)解耦為偽線性系統(tǒng)，具備十分重要意義，解耦后偽線性系統(tǒng)咱們可以運用線性系統(tǒng)構造特性來分析該數學模型，使用線性系統(tǒng)各種設計理論來完畢偽線性系統(tǒng)綜合。3、飛機故障自修復控制基于神經網絡動態(tài)逆辦法自適應跟蹤控制方案對飛機在幾種典型故障下自修復控制進行了研究。通過應用此辦法，克服了單純用線性控制系統(tǒng)理論控制飛機這樣復雜非線性系統(tǒng)魯棒性能較差問題，對于建模誤差、不擬定因素等引起非線性系統(tǒng)逆誤差則由SOFCMAC神經網絡來對消以獲得預期控制效果，從而達到自修復控制目。四、研究核心問題1、建模復雜與簡化問題飛機對象數學建模是研究飛行控制系統(tǒng)基本。飛機空間運動有六個自由度，由于其系統(tǒng)龐大、構造復雜、氣動數據多，因此建立完整六自由度全量飛機模型比較困難。以往研究-荀民對象時，將飛機按縱向和橫向分開建模，采用小擾動增量飛機方程和固定氣動系數來建立五或六自由度飛機對象模型。用以上辦法研究飛機對象在一定限度上也可以反映飛機特性，但隨著研究工作不斷進一步以及對飛機模型推確性規(guī)定不斷提高，這種建模辦法已經不能滿足規(guī)定，必要建立更為精確六自由度飛機模型。2、模型分析辦法問題：為了保證研究精度，咱們建立模型是復雜非線性系統(tǒng)模型，這給模型后期分析解決制造了很大困難。為了保證研究經度而又可以運用線性系統(tǒng)理論來研究非線性問題，咱們引入了反饋線性化辦法。反饋線性化是通過非線性反饋和非線性坐標變換(或者動態(tài)補償)將非線性系統(tǒng)變換為線性系統(tǒng)，然后對變換后線性系統(tǒng)采用成熟線性系統(tǒng)理論進行研究一種理論辦法。在反饋線性化理論研究中，微分幾何法是用較早一種辦法，這種辦法需要通過一種微分同胚坐標變換和一種非線性狀態(tài)反饋給出解耦構造，需要將問題變換到幾何域。另一種反饋線性化辦法是逆系統(tǒng)辦法。逆系統(tǒng)辦法不需要對所研究問題進行中間變換，可以直接進行研究，因此逆系統(tǒng)辦法直觀并且容易理解和實現。逆系統(tǒng)辦法是指:對于給定被控系統(tǒng)，依照被控系統(tǒng)精準數學模型求出它正則積分逆系統(tǒng)，并用這種逆系統(tǒng)與原系統(tǒng)復合，將原系統(tǒng)線性化解耦成若干互相獨立積分型解禍子系統(tǒng)(偽線性系統(tǒng))。運用逆系統(tǒng)辦法目是將非線性系統(tǒng)線性化解禍為偽線性系統(tǒng)，便于使用線性系統(tǒng)各種設計理論來完畢偽線性系統(tǒng)綜合。五、研究技術手段1、建立系統(tǒng)數學模型建立了某型飛機六自由度非線性方程，在MATLAB語言環(huán)境下運用三次樣條函數插值辦法對大量氣動力參數及氣動力矩參數數據進行了插值解決，并在此基本上建立了飛機正常和故障飛行仿真模型。飛機動力學仿真模型構造如圖1所示。氣動系數模塊氣動系數模塊運動方程模塊氣動數據操縱系統(tǒng)舵偏角氣動力(力矩)飛行狀態(tài)和姿態(tài)圖1飛行仿真系統(tǒng)接受來自操縱負荷系統(tǒng)操縱面位置，通過仿真系記錄算，獲取飛機姿態(tài)和位置以及其他飛行參數，然后和其他某些構成閉環(huán)仿真系統(tǒng)動力學仿真模型中運動方程模塊由各種子模塊構成，重要完畢飛機六自由度剛體運動方程解算，該模塊中，一方面綜合飛機所受各種力和力矩，涉及重力、氣動力、發(fā)動機推力及各種力矩，計算沿機體軸線加速度和角加速度;然后應用積分產生飛機合成速度，計算飛行軌跡參數;把機體軸角速度分解到穩(wěn)定軸上，計算飛機迎角、側滑角及其變化率，以提供應氣動模型使用;把角速度分解到地軸上，用積分辦法計算三個歐拉角(俯仰、滾轉和偏航)，為運動系統(tǒng)提供飛機姿態(tài)參數。氣動系數模塊數學模型和軟件完畢飛機空氣動力特性仿真，計算飛機橫側向和縱向氣動系數、氣動力和力矩，調用插值子程序求出飛行瞬間相應氣動數據，供計算氣動系數使用。2、所建立數學模型分析對所建立數學模型用反饋控制系統(tǒng)中基于神經網絡動態(tài)逆系統(tǒng)分析辦法進行分析。對于一種具備動態(tài)過程系統(tǒng)，有相應逆過程，或稱為逆系統(tǒng)。如果一種信號先后通過逆過程和原過程，其成果等價于通過一種被原則化了單位映射，從而等價于通過一種線性解耦系統(tǒng)。依照這種逆系統(tǒng)線性化解耦思想人們提出一種直接反饋線性化解耦辦法—逆系統(tǒng)辦法規(guī)定懂得系統(tǒng)精準模型解析式，并且還必規(guī)定出逆系統(tǒng)顯式表達，這對大多數非線性系統(tǒng)來說往往難以實現。神經網絡為解決這個問題提供了有效辦法。神經網絡就能一致逼近于任意持續(xù)函數，這闡明神經網絡在構造逆系統(tǒng)時較為適當。圖2和圖3分別為單輸入單輸出和多輸入多輸出時，基于原系統(tǒng)內部特性神經網絡逆系統(tǒng)及相應偽線性復合系統(tǒng)。圖2單輸入單輸出圖3多輸入多輸出3、飛機俯仰、滾轉和偏航操縱通道神經網絡a階逆系統(tǒng)飛機操縱通道中存在三個互相禍合子系統(tǒng):滾轉、偏航和俯仰子系統(tǒng)。因而需要三個BP神經網絡來分別建立飛機三個操縱通道逆系統(tǒng)模型。由于三個逆系統(tǒng)模型類似，僅以俯仰子系統(tǒng)為給出用BP神經網絡來建立俯仰角二階積分逆系統(tǒng)。俯仰通道偽線性系統(tǒng)構造和俯仰角二階積分逆系統(tǒng)仿真構造示意圖如圖4和圖5所示：圖4俯仰通道偽線性系統(tǒng)構造圖5俯仰角二階積分逆系統(tǒng)仿真構造示意圖4、飛機故障自修復控制飛機故障自修復控制系統(tǒng)控制方案如圖6所示。圖6基于神經網絡動態(tài)逆直接自適應重構控制系統(tǒng)該方案中近似動態(tài)逆由BP神經網絡來實現并與原系統(tǒng)模型構成偽線性系統(tǒng)(第三章);參照模型和線性控制器按盼望系統(tǒng)性能進行設計;SOFCMAC神經網絡用來補償逆誤差?？刂颇康氖窃O計控制律u使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，且狀態(tài)x跟蹤參照模型狀態(tài)x。結論本文建立了某型飛機六自由度非線性模型，在此基本上研究飛機自修復控制技術，對正常和故障狀況下飛機進行了數學建模。將神經網絡與逆系統(tǒng)理論結合，直接對飛機強耦合、強非線性方程求逆，建立了殲擊機神經網絡逆系統(tǒng)并設計了偽線性控制器。在此基本上，應用基于神經網絡動態(tài)逆非線性模型參照自適應自修復控制方案對飛機在各種故障條件下進行了自修復控制研究。當飛機操縱面發(fā)生故障時，可以在線消除系統(tǒng)近似逆誤差和前向神經網絡映射誤差，使飛機控制達到或接近正常狀態(tài)。參照文獻：[1]Dr.J.M.MacieJowski.ReeonfigurableFlightControlFirstYearRePort.[2]JovanDBoskovicandRamanK.Mehra.Amultiplemodel一basedreconfigurablefightcontrolsystemdesign..InProeeedingsonthe37thIEEEConferenceonDecision&Control.[3]JosePhS.BrinkerKevinA.Wise，Reconfigurableflighteontrolforatailessadvancedaircraft.[4]MosheIdan，MatthewJohnson，andAnthonyJ.Calise.Ahierarchiealapproachtoadap