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航迹跟踪优化轨道跟踪和跟踪是全球作战计划实施的重要因素。现代综合航空生产的电子通信能力主要由三个子系统组成：飞机管理、飞机指导和飞机控制。飞行管理系统接收地面指挥中心的航路规划方案和导航系统给出的位置信息反馈计算参考航迹和实际航迹,飞行导引系统根据导引律产生飞行控制所需要的期望状态使航迹误差趋于0,飞行控制系统根据期望状态和机载传感器测量实际状态之间的误差产生舵面和推力控制指令。通常航路规划结果是给定的一系列航路点坐标,如果对飞行时间有要求还要给出各个航路点的时刻。文献[1-2]在高度和空速不变的假设下采用B样条插值法拟合水平面内期望航迹,平滑的参考轨迹能减少控制难度和误差。文献[3]将整条航路分为直线飞行和转弯飞行阶段,在导航坐标系下修正侧向航迹偏差,文献[4]给出了侧向加速度补偿算法。文献[5-7]将PID控制器和其他控制方法相结合,提高了控制精度和自适应能力。文献[8-10]采用视线制导算法实现了编队跟踪飞行,但无法有效消除航迹的横向偏差。文献[11]选取参考航迹上一系列固定点作为导航点,假设风速不变设计了速度控制器,设计姿态控制器控制速度坐标系对准导航点。文献[12-14]将航迹跟踪问题转化为对参考航迹上移动虚拟目标的跟踪,通过合理选择虚拟目标间距和速度,使跟踪侧偏距和航向误差趋于0。PID控制器因为结构简单和易于调试等优点,在控制领域得到了广泛的应用。目前侧向偏差控制算法已比较成熟,本文主要研究影响到达时间的航向距离控制,采用PID控制器解决飞航式飞行器航向位置跟踪问题,为提高存在阵风干扰时的控制精度,根据卫星/惯性组合导航系统反馈的地速和位置信息进行比例积分控制,利用加速度计反馈的加速度信息进行内环微分控制以提高动态跟踪性能。1空速保持控制的基本原理巡航飞行是指起飞行器为执行远距离飞行任务而选择的经济性较好的飞行状态。目前典型巡航飞行方式主要有:马赫数保持巡航、飞行高度保持巡航和发动机额定推力巡航等。飞行器起飞进入预定巡航起点位置后,即可选择接通自动驾驶仪中的空速保持器或者高度保持器。大多空气动力参数和空速(马赫数)有关,不变的空速可以减少气流对高度等飞行参数的干扰,保证控制器稳定工作,防止出现失速等情况引起安全事故。典型空速保持控制结构图1中,v水平风的阶跃变化将无滞后的影响空速,而地速的变化则是迟后发生的,如果把受阵风直接影响的空速信号反馈给推力,推力将会变的非常不平滑,附加互补滤波器能够抑制来自紊流和发动机噪音的高频信号部分,为了补偿风切边的影响和减小稳态空速偏差,推力控制器还要具有积分特性。虚线框中受控体各变量的拉氏换有以下关系:根据式(1)可解算出空速和加速度为阵风干扰对空速和地速的作用方程为所以,干扰对地速的作用相当于经过一个低通滤波器,而对空速的作用相当于经过一个高通滤波器。从δ保持空速时v式中:第1项是除去发动机动态特性以外的系统开环传递函数,其中互补滤波器部分的分母和分子阶数相同,设计滤波器在穿越频率附近相位损失很小,因而它在稳定性方面对控制回路的影响很小。这些滤波器对扰动信号的作用则完全不同,这可由第2项看出,它表征了阵风对发动机输入信号的影响,这个信号在低频范围内应尽量放大,但在发动机所允许的频率以上时应尽快抑制。设计参数满足:则有扰动变量v使得互补滤波器对扰动变量有二阶滞后特性,在正v2受制保护的引力通过对空速保持控制分析可知,低频率的干扰容易引起地速改变,这将导致飞行时间难以控制,因此可以考虑用地速反馈来代替空速反馈,实现地速保持,控制结构如图2所示,其中v由式(2)得被控对象地速和推力及阵风干扰关系:发动机油门信号为保持地速时v2个滤波器对推力和干扰的作用是相同的,如果仍像空速保持那样设计对推力相位损失为0,那么对高频干扰就没有抑制效果。考虑到在受控对象中干扰到地速的传递函数本身就具有低通滤波作用,所以地速保持控制中可以去掉这2个滤波器,即T显然,地速和加速度反馈经过积分器相当于PI控制器,为保证系统稳定,选择控制参数遵循先内环后外环的顺序,断开加速度和地速反馈回路,得到加速度反馈开环传递函数依据根轨迹选择满足控制性能要求的增益k同样根据该传递函数的根轨迹确定能使系统稳定且具有良好性能的增益k3基于位置信息的跟踪控制器设计如果要实时跟踪变化的参考位置信号,控制器还必须增加微分环节才能具备良好的动态性能,除了反馈地速和加速度信号外还需要反馈位置信息,即构成PID控制器,在地速保持控制器基础上设计位置跟踪控制器,如图3所示。图3中R根据式(8)得到位置信号的拉氏变换位置跟踪PID控制器的发动机油门信号为从干扰信号到油门信号的开环传递函数为可以根据该传递函数频率特性设计对干扰信号的抑制动态特性,保证发动机输入信号平静。若将位置反馈断开,系统的开环传递函数为位置反馈回路为第3层外环,增益k4模拟测试某型飞机巡航高度h=1×104.1控制器的响应设置滤波器参数T以增益k为观察控制器的阶跃响应特性,设置参考空速和参考地速为t=10s时刻开始的幅值2m/s阶跃信号,即v没有干扰的情况下,对于10s时刻的参考速度阶跃变化,2种控制器的响应是相同的。100s时刻风速突变几乎瞬时无延迟的引起等量的空速改变,在空速保持控制器的作用下,空速和地速都会增加,稳定后的空速恢复到干扰加入前水平,而地速提高的幅度等于风速增加量;在地速保持控制器的作用下,地速几乎不受影响,而空速降低后保持不变,减小量等于风速增加量。在传统空速控制方式下,地速受到随机风干扰,整个飞行过程不能被精确控制的,因此到达时间也只能通过预测估计得到;若改为地速控制方式,地速基本不会受到干扰,飞行时间也是精确可控的。4.2益k位置反馈在4.1节设计的地速保持控制器基础上,反馈增益k位置反馈开环传递函数有4个极点,k参考地速为v在t=10s时刻,突然增加的指令速度引起推力增加,50s后推力稳定在-6×105id控制器的安全原理以组合导航系统和加速度计测量得到的飞行器运动状态作为反馈信号,将移动虚拟目标以时间为基准的航向位置、速度和加速度作为PID控制器的参考信号,按时间控制飞行器的航向位置,即可准确的控制其到达各个航