专利名称：多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法
技术领域：
本发明属于飞行控制领域，具体涉及多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法。
背景技术：
传统的飞机往往采用副翼产生滚转运动，方向舵产生偏航运动，升降舵产生俯仰运动。为了提高机动性能及可靠性，当今的飞机往往采用多操纵面布局。例如，美国先进战斗机YF-22有12个独立的操纵面(平尾、副翼、方向舵、襟副翼、前缘襟翼、俯仰推力矢量各两个操纵面)。由于产生滚转、偏航及俯仰力矩的操纵面不唯一，多操纵面布局提高了飞机操纵的灵活性及飞机的控制余度，从而增强了飞行的控制性能及安全性能。多操纵面的冗余及不同操纵面间的耦合给飞行员的驾驶和飞机自动驾驶仪的控制律设计带来很大的难度，需要设计一种分配方法将控制指令分配到各个操纵面。当前许多操纵面的控制分配方法是将多操纵面的控制分配问题归结为等效期望力矩的概念，即在操纵面的偏转范围及角速率限制下，根据控制效率矩阵来求解所有操纵面的偏转角，使得操纵面在该偏转角下产生的力矩等于期望力矩。工程上对于多操纵面的控制分配往往采用串接链式分配方法，该方法是将操纵面进行分组，不同组的操纵面对应不同的优先级，优先级高的操纵面首先分担期望力矩，当该组中某些操纵面的偏转角达到门限值时依次启用下一优先级的操纵面。串接链式分配方法物理概念清晰，但是对于操纵面的分组及优先级的划分往往只是根据工程经验或者控制效率矩阵给出，由于不同操纵面的偏转范围不同，控制效率矩阵不能体现操纵面的饱和度，优先级高的操纵面往往导致较大的偏转甚至饱和， 且没有充分利用优先级低的操纵面。加权伪逆方法基于操纵面的偏转范围及转动角速率限制设计加权矩阵，采用伪逆的方法由期望力矩解算所有操纵面的偏转角。加权矩阵选取要求设计者有比较丰富的经验，某些参数可能需要试凑与调整，增加了设计的复杂性。线性规划、直接几何分配及二次规划的方法是根据操纵面的偏转范围、角速率限制及期望力矩建立指标函数，利用寻优的方法通过复杂的计算得到满足期望指标的所有操纵面的偏转角。 这些方法数学性强，实时性难以保证，物理概念不够清晰，在实际工程应用中应用有一定的限制。可见，当前许多控制分配的方法是根据控制效率矩阵由期望力矩求解所有操纵面的偏转角，计算量大，需要考虑可能出现的偏转角速率超限的情况，驾驶员的驾驶指令或者飞机自动驾驶仪的控制指令需要转换成期望力矩指令，增加了控制律设计的复杂性，工程应用受到限制。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出多操纵面 飞机的一种均衡操纵分配方法，从工程应用出发，将多操纵面的控制分配问题转化为虚拟操纵面与真实操纵面的等效控制问题，确定标称化操纵面及控制效率均衡分配的基本方法。根据操纵面的滚转、偏航、 俯仰控制效率的大小，将真实操纵面划分为滚转操纵面、偏航操纵面与俯仰操纵面。分别对于滚转操纵面、偏航操纵面、俯仰操纵面进行标称化，并根据标称化控制效率设计虚拟操纵面的主导的控制效率，且将陈化操纵面划分为主、副、辅三级，根据设定的主、副权限系数确定主、副、辅各级中每个标称化操纵面期望分担的主导控制效率，进而求解虚拟操纵面向真实操纵面的分配系数，建立加权均衡分配矩阵，并得到虚拟操纵面矢量的非主导控制效率。本发明的加权均衡分配矩阵计算简便，综合考虑了操纵面的偏转范围、控制效率、控制级别、权限系数，充分利用了有效操纵面，有效避免了某些操纵面负担过多的控制效率而引起的饱和。本发明提出的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，具体包括以下几个步骤步骤一将多操纵面的控制分配问题转化为虚拟操纵面与真实操纵面的等效控制问题飞机的η个真实操纵面组成真实操纵面矢量U = [U1 U2… …Ulri Un]‘，其中Ui表示第i个真实操纵面，真实操纵面偏转角矢量为δ = [S1 δ2… \…Slri δη]‘，其中Si表示第i个真实操纵面的偏转角，且控制效率矩阵为 B = [B^ B5…妃…於砼]，其中，紀(i = l，2，...，n-l，n)表示第i个真实操纵
面Ui的控制效率矢量，MX' = [Bi B^y B^ ,B^、B^、<分别表示第i个真实操纵面
Ui的滚转控制效率、偏航控制效率、俯仰控制效率，且第i个真实操纵面Ui (i = 1,2,…， n-Ι,η)的偏转角Si的偏转范围为[-Ri,氏]，角速率戎限制为[-Pi, Pi]；建立虚拟操纵面矢量& = [ χ Uy 2]，其中，&表示虚拟副翼，虚拟副翼偏转范围
为[- RJ Λ表示虚拟方向舵，虚拟方向舵偏转范围为[-R1 R1]武表示虚拟升降舵，虚拟
升降舵偏转范围为[-Rm RJ ；虚拟操纵面偏转角矢量^ =[民式式]'，其中式、式、式分
别表示虚拟副翼偏转角、虚拟方向舵偏转角、虚拟升降舵偏转角；虚拟操纵面矢量的控制效率矩阵为 B其中，^^为虚拟副翼的滚转控制效率，6 为虚拟副翼的偏航控制效率，i^为虚拟副翼的俯仰控制效率，^ 为虚拟方向舵的滚转控制效率，为虚拟方向舵的偏航控制效率，3 为虚拟方向舵的俯仰控制效率，为虚拟升降舵的滚转控制效率，6 为虚拟升降舵的偏航控制效率，6 为虚拟升降舵的俯仰控制效率；真实操纵面的偏转角矢量δ与虚拟操纵面偏转角矢量^满足关系^ =火J，K为加权均衡分配矩阵，且虚拟操纵面矢量控制的效率矩阵满足5 = BK ；控制器根据驾驶员的驾驶指令或自动驾驶仪期望的轨迹、姿态指令Cmd及飞机当前状态矢量X计算虚拟操纵面
偏转角矢量S =[式^式]‘；根据加权均衡矩阵K计算真实操纵面偏转角矢量j = j^，
真实操纵面偏转角矢量根据真实操纵面矢量的控制效率矩阵B，计算得到期望的力矩矢量厂= = 其中f =[瓦&巧]‘；虚拟操纵面矢量j根据虚拟操纵面矢量的控制效率矩阵5，计算得到力矩矢量为厂=际=巡I虚拟操纵面矢量产生与真实操纵面矢量相同的力矩矢量F = [、Vj R]';其中
t、^ <分别表示期望的滚转力矩、期望的偏航力矩、期望的俯仰力矩；步骤二 确定对真实操纵面进行标称化及控制效率加权均衡分配的基本方法定义真实操纵面Ui (i = 1,2,…，n-l，n)的偏转角δ ,时对应的真实操纵面的饱和度Si为Si = fabs ( δ i/Ri)，其中函数fabs (χ)表示小数χ的绝对值；将控制效率矢量为Bj、偏转范围为[-Ri Ri]的真实操纵面Ui(i = 1，2，···，η-1，η) 对于偏转范围[- Rj]进行标称化，得到标称化滚转控制效率的绝对值、标称化偏航控制效率的绝对值、标称化俯仰控制效率的绝对值分别为为代、Zabs(B^R1ZRj)、
JhbsifiRi IRj)，其中函数fabs (χ)表示小数χ的绝对值； 设η个真实操纵面中有m个真实操纵面\、\
气是属于A转动方向
的操纵面，其中t彳e [1,2,…，n-l，n]，且7+ = -ym\ m，真实操纵面、(j = 1,2,
m-1, m)偏转角4偏转范围分别为
、Rtj
，控制效率矢量为Bs"，且在A转动方向的控制
效率为3 ，设某虚拟操纵面&与111个真实操纵面在A转动方向的控制等效，虚拟操纵面的偏转角为&，虚拟操纵面在A转动方向的控制效率为i^，偏转角的偏转范围为[- Rh]；真实操纵面\ (j = 1,2,…，m-1, m)对于偏转范围[- Rh]进行标称化，标称化操纵面％的标称化控制效率矢量
权利要求
1.多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于包括以下几个步骤 步骤一将多操纵面的控制分配问题转化为虚拟操纵面与真实操纵面的等效控制问题飞机的η个真实操纵面组成真实操纵面矢量U= [U1 U2 -Ui…IV1 UnI'，其中Ui表示第i个真实操纵面，真实操纵面偏转角矢量为S=LS1 δ2"Iiri δ J'，其中Si表示第i个真实操纵面的偏转角，且控制效率矩阵为万=[赶B》-B^…於K"]'其中，Bsa； (i = 1,2,…，η-1, η)表示第i个真实操纵面Ui的控制效率矢量，且 δ· = Bl ,B^、B^、分别表示第i个真实操纵面Ui的滚转控制效率、偏航控制效率、俯仰控制效率，且第i个真实操纵面Ui (i = 1，2，…，n-l，n)的偏转角δ i的偏转范围为[-Ri, RiL角速率武限制为[-Pi, Pi]；建立虚拟操纵面矢量Γ/ =[圮uy运]'，其中，&表示虚拟副翼，虚拟副翼偏转范围为[-Rk RJ Λ表示虚拟方向舵，虚拟方向舵偏转范围为[- R1]武表示虚拟升降舵，虚拟升降舵偏转范围为[-Rm RJ ；虚拟操纵面偏转角矢量占=[式式式]'，其中式、式、式分别表示虚拟副翼偏转角、虚拟方向舵偏转角、虚拟升降舵偏转角；虚拟操纵面矢量的控制效率矩阵为
2.根据权利要求1所述的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于步骤五中的虚拟副翼的滚转控制效率比例系数&的取值为0. 8 2. 0。
3.根据权利要求1所述的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于步骤五中的虚拟方向舵的偏航控制效率比例系数\的取值为0. 8 2. 0。
4.根据权利要求1所述的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于步骤五中的虚拟升降舵的俯仰控制效率比例系数~的取值为0. 8 2. 0。
5.根据权利要求1所述的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于步骤六中的标称化滚转主操纵面的权限系数为Qxm的取值为0. 8 1. 5，标称化滚转副操纵面的权限系数Qxs的取值为0. 5 2. 0之间。
6.根据权利要求1所述的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于步骤六中的标称化偏航主操纵面的权限系数为Qym的取值为0. 8 1. 5，标称化偏航副操纵面的权限系数Qys的取值为0. 5 2. 0。
7.根据权利要求1所述的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，其特征在于步骤六中的标称化俯仰主操纵面的权限系数Qzm的取值为0. 8 1. 5，标称化俯仰副操纵面的权限系数Qzs的取值为0.5 2.0。
全文摘要
本发明提出的多操纵面飞机的一种均衡操纵分配方法，主要包括将多操纵面的控制分配问题转化为虚拟操纵面与真实操纵面的等效控制问题、确定对真实操纵面进行标陈化及控制效率均衡分配的基本方法、将真实操纵面分类、进行标陈化并按照标陈化控制效率的绝对值排序、确定虚拟操纵面的主导控制效率、将标陈化操纵面分级、计算分配系数等几个步骤。本发明将多操纵面的控制等效为特定控制效率及偏转范围限制的虚拟操纵面的控制，简化了控制律设计，避免了操纵面角速率超限的问题，加权均衡分配矩阵计算简便，综合考虑了操纵面的偏转范围、控制效率、控制级别、权限系数，充分利用了有效操纵面，有效避免了某些操纵面负担过多的控制效率而引起的饱和。
文档编号B64D31/06GK102320378SQ20111016573
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者刘智, 王勇 申请人:北京航空航天大学