基于多变量解耦的直接升力控制应用与仿真
【摘要】：直接力控制是主动控制技术要实现的主要功能之一，它的主要目的在于通过附加直接升力操纵面实现飞机运动参数之间部分或完全的解耦，直接产生不改变飞行姿态而期望改变航迹的气动力。此功能的实现无论对民用飞机还是军用飞机都具有重大的意义。
解耦控制是直接力控制中最关键的技术。通过对直接升力控制的实现原理的详尽分析和直接升力控制3种基本模式的解耦参数间组合形式的探讨，分别采用了三种方法，即：基于多变量频域理论的逆奈奎斯特阵列法、基于状态空间理论的状态反馈与输入变换法以及输出反馈的特征结构配置法设计了3种不同的直接升力控制解耦控制器，从频域和时域两个不同的角度分别进行研究，给出了不同的结果。三种方法在理论探讨和工程实现上各有异同，通过对得到的控制器的结构进行相互比较，逆奈奎斯特阵列法和输出反馈的特征结构配置法具备更大的工程应用和实现效果。重点在逆奈奎斯特阵列方法上作了深入研究，采用了结合系统格氏带和阶跃响应曲线共同分析系统耦合响应的图形判断法则，对格氏带包围原点的前提下仍然可能解耦的情况进行了分析，并通过实例得到了有效验证。
三种解耦控制方法的设计效果，从算例飞机的仿真结果来看，都达到了预期的目标，实现了直接升力控制的三种模式。通过比较，在响应时间和控制精度满足要求的条件下，逆奈奎斯特方法对数学模型的精准性要求相对较低，得到的解耦控制器结构相对也最为简单，在直接升力控制上具备更强的优越性和可实现性。
作为直接升力控制的应用，设计了阵风载荷减缓系统，考虑了采用直接升力控制可以不改变飞行姿态而改变飞行航迹的特点来进行飞机上附加法向载荷的抑制。仿真结果表明，采用直接升力控制实现阵风减缓的方案是可行的。
【关键词】：直接升力控制 解耦 逆奈奎斯特阵列 状态反馈和输入变换 特征结构配置 阵风载荷减缓 【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：V249.1
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2007.057923
【目录】：
- 摘要3-4
- Abstract4-9
- 第一章 绪论9-13
- 1.1 序言9-10
- 1.2 解耦控制理论10-11
- 1.3 课题的意义11-12
- 1.4 论文的内容安排12-13
- 第二章 直接升力控制的原理和模型的建立13-23
- 2.1 直接力控制概述13-14
- 2.2 直接升力控制的3种基本运动模式14-16
- 2.3 直接升力实现原理16-20
- 2.3.1 直接升力作用点16-19
- 2.3.2 直接升力三种模态实现原理19-20
- 2.4 解耦和直接升力控制20-21
- 2.5 直接升力控制飞机数学模型的建立21-22
- 2.6 小结22-23
- 第三章 逆奈奎斯特阵列方法解耦及仿真23-41
- 3.1 引言23-24
- 3.2 对角优势矩阵的基本理论24-25
- 3.3 对角优势系统的奈奎斯特判据25-26
- 3.4 对角占优系统与伪对角化26-27
- 3.4.1 试凑法26-27
- 3.4.2 伪对角化法27
- 3.5 逆奈奎斯特阵列法的设计步骤27-28
- 3.6 逆奈奎斯特阵列法实现直接升力控制仿真实例28-39
- 3.6.1 α_1,α_2模式28-34
- 3.6.2 An模式34-39
- 3.7 小结39-41
- 第四章 状态反馈和输入变换方法解耦及仿真41-56
- 4.1 线性定常状态反馈控制律41-42
- 4.1.1 系统假定41-42
- 4.1.2 状态反馈结构对系统特性的影响42
- 4.2 极点配置问题42-43
- 4.3 系统的结构特征量43-46
- 4.3.1 结构特性指数43-45
- 4.3.2 结构特性向量45-46
- 4.3.3 包含输入变换状态反馈闭环系统的结构特征量46
- 4.4 可解耦条件46-48
- 4.5 解耦控制综合算法48-49
- 4.6 状态反馈和输入变换法实现直接升力控制仿真实例49-55
- 4.6.1 α_1，α_2模式49-53
- 4.6.2 An模式53-55
- 4.7 小结55-56
- 第五章 特征结构配置方法解耦及仿真56-75
- 5.1 特征结构与系统响应的关系56-57
- 5.2 特征结构配置概述57-59
- 5.2.1 全状态反馈法58
- 5.2.2 输出反馈法58-59
- 5.3 输出反馈特征结构配置59-61
- 5.3.1 特征结构配置的近似算法60-61
- 5.3.2 期望特征向量的部分配置61
- 5.4 反馈增益矩阵F61-63
- 5.5 前馈增益P63-64
- 5.6 特征结构配置方法算法步骤64
- 5.7 特征结构配置方法实现直接升力控制仿真实例64-73
- 5.7.1 α_1,α_2模式65-69
- 5.7.2 An模式69-73
- 5.8 小结73-75
- 第六章 直接升力控制在阵风载荷减缓中的应用75-85
- 6.1 引言75-76
- 6.2 大气扰动场下法向过载的分析76-77
- 6.3 阵风的数学描述77-78
- 6.4 阵风对飞机运动影响的计算78-79
- 6.5 直接升力实现阵风减缓的原理79-80
- 6.6 阵风载荷减缓系统设计与仿真80-84
- 6.6.1 垂直平移模式的实现80-81
- 6.6.2 阵风减缓系统实现81-84
- 6.7 小结84-85
- 第七章 全文总结85-87
- 参考文献87-90
- 发表论文和参加科研情况说明90-91
- 致谢91-92
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