關(guān)于飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

王占剛 郎學(xué)博 李宗強(qiáng)

摘?要：飛機(jī)的控制系統(tǒng)對飛機(jī)在工作狀態(tài)的情況下有著很大的影響。高標(biāo)準(zhǔn)的飛機(jī)控制系統(tǒng)是飛機(jī)實(shí)現(xiàn)安全飛行和完成惡劣環(huán)境飛行的重要保障。為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)的各種情況，以往傳統(tǒng)的飛機(jī)控制系統(tǒng)在各個(gè)方面及部件方面發(fā)生了非常大的變化。我國一直研究的重點(diǎn)是怎樣把控制理論的學(xué)習(xí)知識方面運(yùn)用到飛機(jī)的控制上面，目前適用于飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案分為經(jīng)典和現(xiàn)代兩個(gè)類別。對于單變量和弱耦合的多變量系統(tǒng)，普遍采用經(jīng)典設(shè)計(jì)方法;而具有不確定性的強(qiáng)耦合多變量系統(tǒng)，現(xiàn)代控制技術(shù)則是其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法。到今天為止，我國飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要還是利用經(jīng)典的單變量控制方法設(shè)計(jì)的。國外使用多變量控制技術(shù)設(shè)計(jì)飛行控制律已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于我國來說飛機(jī)控制系統(tǒng)的工程實(shí)踐還是比較少的。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)控制系統(tǒng);設(shè)計(jì);現(xiàn)代飛行

一、飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飛機(jī)的控制系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的大數(shù)據(jù)，而它設(shè)計(jì)的過程也是一個(gè)分階段進(jìn)行開發(fā)的過程。其工作的程序時(shí)在設(shè)計(jì)的階段過程中不斷的將功能進(jìn)行逐步來分解研究，在之后不斷研究的過程中再把這些需求逐步測試。V-模型左邊是設(shè)計(jì)過程的詳細(xì)設(shè)計(jì)要求，右邊是系統(tǒng)集成步驟。V-模型中間部分描述的是檢驗(yàn)和確認(rèn)的測試活動(dòng)。設(shè)備制造和軟件生產(chǎn)在V的底部發(fā)生。結(jié)合V-模型從上到下的描述來做工作的執(zhí)行，當(dāng)這套系統(tǒng)的功能所有測試成功完成之后，集成步驟完成。飛機(jī)控制律的設(shè)計(jì)和確認(rèn)是飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。兩者的同時(shí)開發(fā)時(shí)并存的，并且和以上的過程是一樣的?？刂坡傻脑O(shè)計(jì)過程是非常復(fù)雜化的多學(xué)科開發(fā)過程，簡化飛行控制律設(shè)計(jì)過程，有以下4個(gè)主要測試過程。

①離線設(shè)計(jì)：是指系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，滿足操控和性能規(guī)范。

②人在回路中仿真：測試飛機(jī)的操縱性和操縱的問題所在。

③鐵鳥試驗(yàn)：飛行控制律硬件實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證，確保在真實(shí)條件下能夠正確操作。

④飛行試驗(yàn)：確認(rèn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足飛行員需求的規(guī)范。飛機(jī)的試飛時(shí)檢驗(yàn)系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)。由于現(xiàn)代飛機(jī)飛行當(dāng)中控制的復(fù)雜性，控制律的設(shè)計(jì)是不可能一次性完成的，需要反反復(fù)復(fù)通過試飛做飛機(jī)控制系統(tǒng)最后的調(diào)整。

二、國外先進(jìn)飛機(jī)飛行控制律設(shè)計(jì)評述

20世紀(jì)80年代后半期，美德聯(lián)合研制了大迎角超機(jī)動(dòng)驗(yàn)證飛機(jī)X-31，這種飛機(jī)的飛行控制律設(shè)計(jì)方法是最好的控制方法。F/A-22對YF-22飛機(jī)也對飛行控制律進(jìn)行重新的研究設(shè)計(jì)，通過經(jīng)典控制和特征結(jié)構(gòu)的配置相結(jié)合，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)過的飛行控制律在所有的閉環(huán)子回路控制中都是一級的飛行品質(zhì)。F-35飛機(jī)直接將飛行品質(zhì)映射成飛行控制律，使用非線性動(dòng)態(tài)反逆設(shè)計(jì)控制器。波音公司X-36原型機(jī)其重構(gòu)飛行控制系統(tǒng)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/動(dòng)態(tài)逆設(shè)計(jì)，在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)來進(jìn)行消除反逆誤差，讓飛機(jī)系統(tǒng)存在的不確定因素、出現(xiàn)故障和損壞時(shí)提供優(yōu)良的操縱品質(zhì)。過去的二十多年來，大多數(shù)的飛機(jī)飛行控制律都是使用經(jīng)典的控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，使用多變量控制技術(shù)已是設(shè)計(jì)新飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。

三、現(xiàn)代飛行控制律設(shè)計(jì)方法

經(jīng)典的控制方法對高度復(fù)雜的系統(tǒng)，或者當(dāng)內(nèi)部參數(shù)受到干擾和嚴(yán)重的變化時(shí)，時(shí)很難滿足現(xiàn)代飛機(jī)高性能和機(jī)動(dòng)性的各種需求。所有，就需要尋找和研究滿足可以在非常復(fù)雜的情況下適用現(xiàn)代飛機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用到飛行控制方面的先進(jìn)理論和方法層出不窮，國內(nèi)外研究比較多的主要有以下幾類。

3.1 線性二次型最優(yōu)控制

最優(yōu)二次型控制是用于飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期比較成熟的一種方法，但是在工程實(shí)現(xiàn)中還是有不確定性因素是不可避免的。所以，最優(yōu)控制用于飛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，必須考慮到魯棒性等問題。頻域加權(quán)法是解決最優(yōu)二次型設(shè)計(jì)魯棒問題的一種最有效的方法。由于把全部設(shè)計(jì)的因素全考慮到內(nèi)是非常難的，因此要與經(jīng)典控制理論設(shè)計(jì)要相結(jié)合，是工程應(yīng)用最優(yōu)控制方法較為成功的途徑。

3.2 非線性動(dòng)態(tài)逆控制

反饋線性化方法是非線性控制理論中發(fā)展比較成熟的一種控制設(shè)計(jì)方法。它又稱為精確線性化方法，與小擾動(dòng)線性化方法具有本質(zhì)區(qū)別，他其實(shí)包括幾何方法和動(dòng)態(tài)反逆方法兩個(gè)分支。對于飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)反逆是研究最為廣泛的反饋性化的方法，在大迎角超機(jī)動(dòng)飛機(jī)、先進(jìn)短距起降飛機(jī)、直升機(jī)以及無人機(jī)等飛行控制系統(tǒng)中都能看到這種技術(shù)設(shè)計(jì)的身影并且得到成功應(yīng)用。飛機(jī)動(dòng)態(tài)模型的奇異攝動(dòng)特性是利用動(dòng)態(tài)反逆理論解決飛機(jī)非線性問題的基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)逆算法能夠有效地實(shí)現(xiàn)非線性對象的線性化和通道間解耦。但是，動(dòng)態(tài)反逆控制成功應(yīng)用的前提是系統(tǒng)可以被精確描述，所受的干擾能在擾動(dòng)前被精確建模，而這在實(shí)際應(yīng)用中十分困難。

3.3 魯棒控制方法

隨著戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動(dòng)性和執(zhí)行任務(wù)的效率性提高，飛機(jī)會(huì)受到外界的各種不等因素來影響飛機(jī)。先進(jìn)的飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候希望系統(tǒng)有著一定的魯棒性能的標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 智能控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)當(dāng)前IT人工智能領(lǐng)域中最最引人注目的研究熱點(diǎn)之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制有著硬件軟件諸多的優(yōu)點(diǎn)，能夠精準(zhǔn)的逼近非線性函數(shù)反映數(shù)據(jù)。20世紀(jì)90年代以來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制作為一個(gè)新興的控制技術(shù)開始進(jìn)入了飛行控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并且得到了很好的應(yīng)用。目前國外的飛機(jī)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)當(dāng)中就大量采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能控制，較有影響的理論體系大致有兩個(gè)：一是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型參考自適應(yīng)控制;另外一種是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)逆控制。

總結(jié)

先進(jìn)的控制方法與經(jīng)典的控制方法相比較，對飛機(jī)的控制性時(shí)毋庸置疑的，但是就現(xiàn)在而言大多數(shù)的先進(jìn)控制技術(shù)設(shè)計(jì)都處于研究進(jìn)行階段，與工程具體實(shí)現(xiàn)還是有一段距離的。如果單獨(dú)使用一種控制方法就都有優(yōu)缺點(diǎn)，目前在飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)中的一種應(yīng)用就是有著不同控制的方法的優(yōu)點(diǎn)，所有要避免各自的缺點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)綜合控制。

參考文獻(xiàn)

[1]?李林侃，樊戰(zhàn)旗，楊軍.魯棒動(dòng)態(tài)逆控制在無人機(jī)姿態(tài)控制中的應(yīng)用研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28（1）：83-85.

[2]?劉波.無人機(jī)非線性姿態(tài)控制律設(shè)計(jì)及仿真研究[D].長沙：中南大學(xué)，2006.

[3]?曾麗蘭，王道波，郭才根，等.無人駕駛直升機(jī)飛行控制技術(shù)綜述[J].控制與決策，2006，21（4）：361-366.

[4]?陳懷民，王鵬，江瓊.綜合定量反饋理論與特征結(jié)構(gòu)配置的飛行控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（3）：413-416.