CN110597281A - 一种自动着舰纵向飞行控制***参数获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动着舰纵向飞行控制***的参数获取方法，首先将描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象，基于F/A‑18A舰载机自动着舰纵向控制律构建自动着舰纵向飞行控制***模型，然后将***稳定性理论、F/A‑18A舰载机飞行数据和控制***优化方法相结合，针对自动着舰纵向飞行控制***具有的级联嵌套回路结构，自俯仰角速度控制回路起，由内向外、逐个回路地校正了自动驾驶仪、进场功率补偿***和引导律3个部分的待定参数。上述方法简便、高效，可使自动着舰飞行控制***具备良好的纵向操纵性能，具有较高的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及航空工程起降技术领域，尤其涉及一种自动着舰纵向飞行控制***参数获取方法。
背景技术
舰载机着舰阶段，环境干扰因素复杂，但控制精度要求高，因而飞行员操作难度很大。为提升着舰成功率、减轻飞行员执行着舰任务的压力，美国海军自上世纪50年代起开始研究全自动着舰技术，通过自动着舰引导***(Automatic Carrier Landing System,ACLS)使舰载机“无需手控、全天候、全自动”回收。目前，ACLS已大量投入实战，成为辅助舰载机着舰的最有效工具之一，特别是在飞行员无法胜任的极端情况 (如大雾和沙尘天气)，ACLS发挥了不可替代的重要作用，例如用于保障F-18和F-35舰载机自动上舰的AN/SPN-46***，以及引导中型无人旋翼机“火力侦察兵”全自动回收的 UCARS***。
ACLS主要由甲板运动补偿***和飞行控制***(Flight Control System,FCS)组成，FCS分为舰载***和机载***：舰载部分负责解算自动着舰引导律，机载部分按照功能又分为控制增稳***(Control Augmentation System,CAS)，即自动驾驶仪，以及进场功率补偿***(Approach Power Compensation System，APCS)。为使舰载机尽快消除进场轨迹误差，精确跟踪指令下滑道，ACLS必须有良好的纵向操纵性能，纵向FCS参数是制约该性能实现的关键。但现有技术中，由于自动着舰纵向FCS具有级联嵌套的多反馈回路结构，待定参数较多，采用传统的根轨迹校正方法或纯凭工程经验进行试凑来调整这些参数效率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动着舰纵向飞行控制***参数获取方法，该方法简便、高效，可使自动着舰飞行控制***具备良好的纵向操纵性能，具有较高实用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种自动着舰纵向飞行控制***参数获取方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象，基于F/A-18A 舰载机自动着舰纵向控制律构建自动着舰纵向飞行控制***模型；
步骤2、根据舰载机着舰控制的精度要求并参考F/A-18A舰载机自动着舰性能测试结果，设定自动着舰纵向飞行控制***参数校正目标；
步骤3、基于所构建的模型计算出俯仰角速率控制回路的传递函数，并根据控制理论中的稳定性判据缩小俯仰角速率控制回路参数KQ、KI和KP的取值范围；
步骤4、优化俯仰角速率控制回路对幅度0.01rad角速率指令的阶跃响应，当优化结果与F/A-18A舰载机自动着舰俯仰角速率控制回路的性能测试情况相接近时可停止优化，获得俯仰角速率控制回路的参数；
步骤5、固定步骤4得到的参数校正结果，以F/A-18A舰载机着舰阶段垂直速度响应性能为优化目标，通过优化自动驾驶仪对高度变化率偏差指令的阶跃响应校正自动驾驶仪中待定参数；
步骤6、固定步骤4、步骤5得到的参数校正结果，对进场功率补偿***APCS参数进行校正，主要是调节Ke和KαP两个控制增益；
步骤7、固定步骤6得到的参数校正结果，再进行步骤5，之后重复进行步骤6和5的操作，直到高度变化率和迎角的响应都达到参数校正目标为止；
步骤8、固定步骤7得到的参数校正结果，通过优化舰载机进场高度的阶跃响应来校正引导律参数KH。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法简便、高效，可使自动着舰飞行控制***具备良好的纵向操纵性能，具有较高的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的自动着舰纵向飞行控制***参数获取方法流程示意图；
图2为本发明所举实例自动着舰纵向飞行控制***内回路参数全部获取后的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的自动着舰飞行控制***的参数获取方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、将描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象，基于F/A-18A 舰载机自动着舰纵向控制律构建自动着舰纵向飞行控制***模型；
在该步骤中，具体采用能描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象，其表达式为：
其中：
x＝[ΔvI ΔαI Δq Δθ Δh]T，u＝[Δδe Δδc Δδp]T，vI表示地速，即惯性速度，m/s；αI表示地速迎角或称惯性迎角，rad；q表示俯仰角速度， rad/s；θ表示俯仰角，rad；h表示高度，m；nz表示法向过载，g；γ表示航迹角，rad；控制向量u中的3个分量依次表示升降舵偏转角、鸭翼偏转角、有效油门开度的扰动量，单位均为°；Δ表示物理量与其基准值(标称值)的偏差量，下标“*”表示变量的基准值 (标称值)，如vI*＝70m/s，下同；常值矩阵A-F，具体如表1所示：
F/A-18A舰载机自动着舰纵向飞行控制律由自动驾驶仪、进场功率补偿***(APCS) 和外回路引导律3部分组成，其中自动驾驶仪控制律包含俯仰角速率控制回路。F/A-18A 的APCS采用维持迎角恒定的油门控制策略，将现有技术中的F/A-18A舰载机油门控制律进行适当简化后，得到APCS控制律表达式为：
式中，δec为升降舵俯仰指令，KαP、KαI、Ke、Kq、Knz均为控制增益。
另外，由于F/A-18A舰载机以进场高度变化率作为自动驾驶仪直接控制状态，考虑到舰载机着舰阶段速度基本保持不变，由的扰动表达式(3)可知，控制等效为控制γ。为改善***阻尼，对舰载机垂向加速度(法向过载)的控制也是必要的。
表1舰载机线性运动模型的系数矩阵A-F
步骤2、根据舰载机着舰控制的精度要求并参考F/A-18A舰载机自动着舰性能测试结果，设定自动着舰纵向飞行控制***参数校正目标；
具体实现中，所设定的校正目标如下表2所示；
表2***参数校正目标
步骤3、基于所构建的模型计算出俯仰角速率控制回路的传递函数，并根据控制理论中的稳定性判据缩小俯仰角速率控制回路参数KQ、KI和KP的取值范围；
在该步骤中，控制增益KQ与滞后—超前滤波器(参数为T1和T2，且规定T1＞T2)相串联，二者都在俯仰角速率反馈回路中，而KI和KP分别为俯仰角速率控制回路前向通道传递函数的积分增益和比例增益。
步骤4、优化俯仰角速率控制回路对幅度0.01rad角速率指令的阶跃响应，当优化结果与F/A-18A舰载机自动着舰俯仰角速率控制回路的性能测试情况相近时可停止优化，获得俯仰角速率控制回路的参数；
在优化前，应根据步骤3的计算结果选择参数取值范围，并将阶跃响应的性能指标设置为：调节时间不大于3s、稳态误差1％、超调量小于200％；
执行该步骤后，获得的俯仰角速率控制回路的参数为：
KQ＝1.174 KI＝522.268 KP＝362.242 T1＝1.766 T2＝0.766
步骤5、固定步骤4得到的参数校正结果，以F/A-18A舰载机着舰阶段垂直速度响应性能为优化目标，通过优化自动驾驶仪对高度变化率偏差指令的阶跃响应校正自动驾驶仪中待定参数；
在该步骤中，需要校正自动驾驶仪的参数和它们分别在舰载机航迹角反馈和法向过载反馈回路中；校正方法与前两步类似，首先计算响应的传递函数，根据控制理论中的稳定性判据缩小待定参数的取值范围，再设置15％以内的超调量、4.5s调节时间、1％稳态误差等阶跃性能指标来优化自动驾驶仪对高度变化率偏差指令的阶跃响应。
步骤6、固定步骤4、步骤5得到的参数校正结果，对进场功率补偿***APCS参数进行校正，主要调节Ke和KαP两个控制增益参数；
该步骤中，根据F/A-18A舰载机在着舰阶段的迎角控制能力，设定校正目标为：舰载机迎角在响应高度变化率阶跃指令后回到标称值的时间不超过5s；
该步骤需要校正的全部参数由式(2)给出，根据舰载机迎角扰动Δα、航迹角扰动Δγ和俯仰角扰动Δθ之间的关系式(4)可知，前面的参数校正过程不能保证Δα收敛到 0，加之无法用常规指标界定Δα对高度变化率偏差指令的阶跃响应，并考虑到该控制***的高阶属性，因此难以借助软件工具或者理论计算来优化APCS参数，可基于经验调试完成，主要是调节Ke和KαP两个控制增益。
Δθ＝Δα+Δγ (4)
另外，由于***各控制回路之间存在耦合性，该步骤很可能降低步骤5的参数校正效果，即对舰载机垂直速度响应性能造成不良影响。
步骤7、固定步骤6得到的参数校正结果，再进行步骤5，之后重复进行步骤6和5的操作，直到高度变化率和迎角的响应都达到参数校正目标为止；
该步骤主要为提升***对高度变化率和迎角的综合控制效果，当迎角响应满足要求后，将步骤6得到的APCS参数固定，再用步骤5优化参数和之后固定自动驾驶仪参数，再次调节APCS参数…这样反复进行几次步骤5和6的操作，即可完成自动着舰纵向飞行控制***内回路全部参数的设计，使舰载机高度变化率和迎角的响应都满足参数校正目标。
举例来说，执行该步骤的参数校正结果如下，相应的仿真结果如图2所示，显然，执行该步骤后，***对高度变化率指令的响应情况优于F/A-18A舰载机的测试结果。
Kq＝120Ke＝4KαI＝40KαP＝-95Knz＝20。
步骤8、固定步骤7得到的参数校正结果，通过优化舰载机进场高度的阶跃响应来校正引导律参数KH。
该步骤中，根据舰载机着舰轨迹纠偏的一般要求，选取阶跃响应性能指标为超调量 3％以内、调节时间不大于8s、稳态误差1％以内，并综合考虑该状态响应的超调量和调节时间来最终确定引导律参数。执行该步骤后，得到表3所示参数校正结果：
表3引导律参数校正结果
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述方法具有如下优点：
(1)根据舰载机着舰控制的一般要求以及F/A-18A舰载机自动着舰***对指令响应的实测数据，量化了参数校正目标，提高了参数校正效率和参数设计结果的实用性；
(2)通过自动控制理论中的稳定性判据缩小待定参数的取值范围，大大节省了参数校正的工作量，提高了参数校正效率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种自动着舰纵向飞行控制***参数获取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、将描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象，基于F/A-18A舰载机自动着舰纵向控制律构建自动着舰纵向飞行控制***模型；
步骤2、根据舰载机着舰控制的精度要求并参考F/A-18A舰载机自动着舰性能测试结果，设定自动着舰纵向飞行控制***参数校正目标；
步骤3、基于所构建的模型计算出俯仰角速率控制回路的传递函数，并根据控制理论中的稳定性判据缩小俯仰角速率控制回路参数KQ、KI和KP的取值范围；
步骤4、优化俯仰角速率控制回路对幅度0.01rad角速率指令的阶跃响应，当优化结果与F/A-18A舰载机自动着舰俯仰角速率控制回路的性能测试情况相接近时可停止优化，获得俯仰角速率控制回路的参数；
步骤5、固定步骤4得到的参数校正结果，以F/A-18A舰载机着舰阶段垂直速度响应性能为优化目标，通过优化自动驾驶仪对高度变化率偏差指令的阶跃响应校正自动驾驶仪中待定参数；
步骤6、固定步骤4、步骤5得到的参数校正结果，对进场功率补偿***APCS参数进行校正，主要是调节Ke和KαP两个控制增益；
步骤7、固定步骤6得到的参数校正结果，再进行步骤5，之后重复进行步骤6和5的操作，直到高度变化率和迎角的响应都达到参数校正目标为止；
步骤8、固定步骤7得到的参数校正结果，通过优化舰载机进场高度的阶跃响应来校正引导律参数KH。
2.根据权利要求1所述自动着舰纵向飞行控制***的参数获取方法，其特征在于，在步骤1中，所述将描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象具体为：
采用能描述舰载机着舰纵向运动的线性小扰动模型作为被控对象，其表达式为：
其中：
x＝[ΔvI ΔαI Δq Δθ Δh]T，u＝[Δδe Δδc Δδp]T，vI表示
地速；αI表示地速迎角或称惯性迎角；q表示俯仰角速度；θ表示俯仰角；h表示高度；nz表示法向过载；γ表示航迹角；控制向量u中的3个分量依次表示升降舵偏转、鸭翼偏转、有效油门开度的扰动量；Δ表示物理量与其基准值的偏差量，下标“*”表示变量基准值；矩阵A-F均为常值矩阵。
3.根据权利要求1所述自动着舰纵向飞行控制***的参数获取方法，其特征在于，在步骤1中，所述F/A-18A舰载机自动着舰纵向控制律的外回路是引导律，内回路包括自动驾驶仪和进场功率补偿***APCS，其中自动驾驶仪包含了俯仰角速率控制回路；
所述APCS控制律表达式为：
式中，δec为升降舵俯仰指令；KαP、KαI、Ke、Kq、Knz均为控制增益。
4.根据权利要求1所述自动着舰纵向飞行控制***的参数获取方法，其特征在于，在步骤4中，优化前，应根据步骤3的计算结果选择参数取值范围，将阶跃响应的性能指标设置为：调节时间不大于3s、稳态误差1％、超调量小于200％。
5.根据权利要求1所述自动着舰纵向飞行控制***的参数获取方法，其特征在于，在步骤6中，根据F/A-18A舰载机在着舰阶段的迎角控制能力，设定校正目标为：舰载机迎角在响应高度变化率阶跃指令后回到标称值的时间不超过5s。
6.根据权利要求1所述自动着舰纵向飞行控制***的参数获取方法，其特征在于，在步骤8中，根据舰载机着舰轨迹纠偏的一般要求，选取阶跃响应性能指标为超调量3％以内、调节时间不大于8s、稳态误差1％以内，并综合考虑该状态响应的超调量和调节时间来最终确定引导律参数KH。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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