一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，属于飞行控制
技术领域。
【背景技术】
[0002] 舰载机作为航母的主要攻击力量，其关键技术是如何保障其在十分恶劣的着舰环 境下安全、准确着舰。舰载机在着舰时为了减小与航母甲板的啮合速度，通常要求航母以一 定航速逆风行驶。航母在顶风行驶时，通过甲板上方的气流会在舰尾发生突变，形成舰尾 流。当舰载机飞过该片区域时，其飞行品质会急剧恶化，最严重的舰尾流干扰会超出飞机的 性能边界，进而导致其无法安全着舰，所以着舰时的舰尾流扰动是着舰误差的一个重要来 源。舰载机在着舰前的最后20秒发生飞行事故的概率非常高，即使最优秀的飞行员也不能 保证每次舰载机都能在舰尾流干扰等不利因素的影响下安全着舰，因此，研宄设计具有看 舰尾流干扰的舰载机自动着舰控制系统具有重要的意义。
[0003] 舰载机着舰一般采用下滑道跟踪着舰，舰载机截获合适的下滑道后，可以提前知 道所有的下滑道信息。目前，针对含舰尾气流抑制的舰载机自动着舰的研宄，国内外学者研 宄的重点都是利用当前信息进行反馈控制来设计控制律。而舰载机在下滑过程中下滑道轨 迹信息均为可预见信息，但国内外学者没有利用这些可预见的未来信息对舰载机进行前馈 控制。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明提出了一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方 法，利用下滑道轨迹的现在和未来信息对舰载机进行复合控制，实现对下滑道高度的跟踪 和有效的抑制和消除侧向偏移，同时实现对舰尾流的抑制。
[0005] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
[0006] -种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，包括以下步骤：
[0007] (1)采用前馈控制和反馈控制相结合的控制方法对升降舵通道进行控制：利用可 预见的理想下滑高度Δ Γχ、可预见的理想下滑高度的信息存储值ΛΧρ、目标飞行高度指令 △Η。以及舰尾流干扰的纵向分量Aw lm进行前馈控制；以当前俯仰角增量△ Θ、俯仰角速 率增量Aq和舰载机飞行高度增量ΛΗ信息作为反馈信号，其中高度采用PID控制，以当前 下滑道高度作为目标高度指令，升降舵通道的计算方法如下：
[0008] 首先将飞机的纵向状态方程离散化，得到飞机的纵向离散化模型：
【主权项】
1. 一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 采用前馈控制和反馈控制相结合的控制方法对升降舵通道进行控制：利用可预见 的理想下滑高度Arx、可预见的理想下滑高度的信息存储值A Xp、目标飞行高度指令AH。 以及舰尾流干扰的纵向分量进行前馈控制；以当前俯仰角增量△ 0、俯仰角速率增 量Aq和舰载机飞行高度增量AH信息作为反馈信号，其中高度采用PID控制，以当前下滑 道高度作为目标高度指令； (2) 采用前馈控制和反馈控制相结合的控制方法对油门通道进行控制：利用可预见的 理想下滑高度A rx、可预见的理想下滑高度的信息存储值A Xp、升降舵偏角增量A 66及舰 尾流干扰的纵向分量进行前馈控制，利用迎角增量△ a和法向加速度增量Aaz进行 反馈控制，将前馈和反馈结合进行控制； (3) 采用前馈控制和反馈控制相结合的控制方法对副翼通道进行控制：利用舰尾流干 扰的侧向分量Awlat进行前馈控制，利用滚转角增量△巾、滚转角速度增量Ap、偏航角增 量A步、横侧向状态变量Ax blat、目标飞行侧偏距指令Ay。和舰载机的侧偏距增量Ay进 行反馈控制，其中侧偏距采用PID控制，以零侧偏距作为目标侧偏距指令； (4) 采用前馈控制和反馈控制相结合的控制方法对方向舵通道进行控制：利用当前副 翼偏角增量△ S a及舰尾流干扰的侧向分量Awlat进行前馈控制，利用当前的偏航角速度增 量Ar、侧滑角增量A |3、滚转角速度增量Ap、横侧向状态变量Axblat、目标飞行侧偏距指 令Ay。和舰载机的侧偏距增量Ay进行反馈控制，将前馈和反馈结合进行控制。
2. 根据权利要求1所述的一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，其特 征在于，所述步骤（1)升降舵通道的计算方法如下： 首先将飞机的纵向状态方程离散化，得到飞机的纵向离散化模型：
其中，Axblm= [Au Aw Aa Aq A 0]T，Axblm为纵向状态变量，Au为空速横向 分量的反馈量与配平值之差，Aw为空速垂直分量的反馈量与配平值之差，A a为迎角反 馈量与配平值之差，Aq为俯仰角速率反馈量与配平值之差，△ 9为俯仰角反馈量与配平 值之差；Awblm= [Aug Awg]T为舰尾流干扰的横向和纵向速度分量，Aug为舰尾流干扰的 横向速度分量，A Wg为舰尾流干扰的垂直速度分量，A blm、Blblm、B2blm、AAlm为飞机的纵向状 态空间矩阵；Ah为实际飞行高度值；Ah OT为实际飞行高度反馈量与理想下滑高度之差；在 采样时间为Ts，下滑道高度信息的可预见时间％时，可预见步数N = t p/Ts;A p、Bp、CpS N步 延时器的状态空间系数，
上式中Arx(k) = Ahjk+N)是k时刻的下滑道高度的N步预见值，AXp是下滑道高度 可预见信息的存储值，可表示为：
其中：N为预见步数； 由纵向离散化模型Elm可以推导得到：
其中：Aublm为纵向控制输入量矩阵，Aublm=[A6eA6T]T，A60为升降舵偏角增 量，AST为油门增量，△81"、381。 11、(：81"为中间变量系数矩阵； 定义AXgimZ[△xbi<mAh]T，目标要寻找控制信号Aublm，使得控制性能指标Jlm最小 化
其中％为纵向全信息鲁棒预见控制律输出权重；W2为纵向全信息鲁棒预见控制律输 入权重； 当系统满足以下三个条件时，可以得到满足要求复合控制器： (1) (Agl〇nBgi〇n) 是稳定的； (2) ff9, ff9>0；
升降舵通道的控制律如下：
(5> 其中Kq为俯仰角速率控制参数；Ke为俯仰角控制参数；？1)1",1为？ 1)1。11的第一行丨~,1 为的第一行；？￥1",1为？1?1。11的第一行 ；
式中匕1。11,1是？1)1"的第一行丨 11。11,1是？11。11的第一行丨 1?1。11,1是？1?1。11的第一行丨 1)1。1^1。11， FwlmJ^计算公式如下： _~cg ~~gion - gton_ gton
式中
U>n= [〇 I]，Wi为纵向全信息鲁棒预见控制 律输出权重，w2为纵向全信息鲁棒预见控制律输入权重，Fglm为纵向状态变量反馈系数矩 阵，j为中间变量，z为整数集合，5、5、^均为中间变量系数矩阵，Xgg是下面的离散代数 Riccati方程的稳态解：
(8)〇
3. 根据权利要求1所述的一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，其特 征在于，所述步骤（2)油门通道的控制律如下：
式中A ST为油门增量；A a为迎角增量，A a z为法向加速度增量，A S e为升降舵增 量，亿和T a分别为相应传感器滤波时间常数，k a、kaI、匕及为所要设计的控制律参数， ^1(?,2是F Plm的第二行；是F 的第二行；F ￥1。",2是F wlm的第二行。
4. 根据权利要求1所述的一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，其特 征在于，所述步骤（3)中副翼通道的计算方法如下： 首先将飞机的横侧向状态方程离散化，得到飞机的横侧向离散化模型：
其中，横侧向状态变量矩阵Axblat= [Af3 ApArA(}) Ai])]T，Af3为侧滑角增量， A P为滚转角速率增量，A r为偏航角速率增量，A (}>为滚转角增量，A it为偏航角增量； Aublat为横侧向控制输入量矩阵，Aublat= [A 6 a A 6 JT，A 6a为副翼偏角增量，A 6 A 方向舵偏角增量；A y为实际侧偏距；A yj%实际侧偏距反馈量与配平值之差；A blat、Bblat、 AAlat为飞机的横侧向状态空间矩阵；Aw blat= [ AV g]为舰尾流干扰的侧向速度分量； 由横侧向离散化模型E lm可以推导得到：
定义Axgiat= [AxbiatAy]T，目标要寻找控制信号Aubiat，使得控制性能指标Jiat最小 化
其中：w3为横侧向全信息鲁棒预见控制律输出权重；w4为横侧向全信息鲁棒预见控制 律输入权重； 当系统满足以下三个条件时，可以得到满足要求复合控制器： ⑴（Aglat Bglat)是稳定的； (2)ff4, ff4>0； (3:
副翼通道的控制律如下：
其中为滚转角速率控制参数；K A为滚转角控制参数
式中尺f为比例控制系数；尺^为积分控制系数；[f为微分控制参数；％为偏航角 控制参数；Fblat>1是Fblat的第一行；F elat,^Felat的第一行；F plat, 1^^ F plat的第一行；F rlat, 1^^ Frtat的第一行；F wlat, 1疋Fwlat的第一行；F blat'Felat'PplaPF：rlat'Pwlat的计算公式如下：
xggy是下面的离散代数Riccati方程的稳态解：
5.根据权利要求1所述的一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，其特 征在于，所述步骤（4)中方向舵通道的控制律为：
式中 ^blat,2^￡ F blat 的第二行；F elat，2及^ P elat 的第二行；F plat, 2疋 F plat 的第二行；F rlat，2疋 &lat的第二行；F wlat，2疋 F wlat 的第二行。
【专利摘要】本发明涉及一种含舰尾气流补偿的舰载机自动着舰复合控制方法，属于飞行控制技术领域。本方法主要通过4个模块的复合控制来实现，包括升降舵通道控制律模块、油门通道控制律模块、副翼通道控制律模块和方向舵通道控制律模块。本方法利用下滑道未来信息进行前馈控制，利用舰载机当前信息进行反馈控制，可以提前对舰载机的舵面和油门实施平均操作以达到跟踪补偿目的，减小瞬时的能量，并且加快响应速度，确保舰载机能在航母上安全着舰。
【IPC分类】B64F1-02
【公开号】CN104803005
【申请号】CN201510243842
【发明人】甄子洋, 邵敏敏, 龚华军, 王新华, 江驹
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月13日