CN114879531A - 一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法 - Google Patents

一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及飞行控制仿真技术领域，尤其涉及一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，包括以下步骤：S1、飞机运动方式划分；S2、通过姿态内环控制加位置外环控制的方式进行通道控制；S3、设定参数，修正误差，达到控制效果。本申请根据飞机运动的飞行方式线先进行划分，然后通过姿态内环控制加位置外环控制的控制方式进行飞机通道的纵向控制以及横侧向控制，且其中每个环路采用PID控制方式进行控制，使得控制律设计简单，不管对于复杂***还是非复杂***，具有通用性，并且参数调整方便，不需要对整个飞机状态空间一一枚举区分；另外误差修正迅速，具有较小的超调，能满足一个状态转至另一状态参数的无缝衔接。

Description

一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法
技术领域
本发明涉及飞行控制仿真技术领域，尤其涉及一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法。
背景技术
仿真是将实际***的物理、数学机理等移植到计算机虚拟环境，并进行***行为的动态复现。当所研究的***造价昂贵、实验的危险性大或需要很长时间才能了解***参数变化引起的后果时，仿真是一种非常高效的研究手段。其通过低廉的架设成本和分析成本获得与真实环境近似等价的输出效果，从而建立对***内部机理的深入理解，缩短从概念设计到实际***的迭代周期与后期更改成本。
固定翼飞机是一个非常复杂的非线性、多输入多输出***，其运动可划分为纵向运动和横侧向运动。实际控制律的设计过程中，会对飞机的纵向和横侧向通道分开设计，同时也应该考虑到各个通道间的耦合性和独立性。
传统的自动飞行控制采用PID控制方式，这也是实际应用过程中使用最多的方式；随着近些年人工智能的兴起，神经网络及强化学习技术也加入到自动控制的的方法中去。
传统的PID控制对控制参数依赖很大，往往大部分精力花费在调参的工作上，并且飞机在实际模拟飞行过程中的状态变化很大，一套参数难易匹配大部分飞行状态，造成参数调整不易。而神经网络和强化学习对于***的复杂程度有一定的要求，飞机是一个非常复杂的非线性、多输入多输出***，难以对***的状态空间描述清楚，并且依赖于计算机的处理能力。为此申请人提出一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，解决上述背景技术提出的现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，包括以下步骤：
S1、飞机运动方式划分；
S2、通过姿态内环控制加位置外环控制的方式进行通道控制；
S3、设定参数，修正误差，达到控制效果。
作为本申请中优选的，S2.1、通过飞行姿态控制***进行姿态内环控制加位置外环控制。
作为本申请中优选的，S2.2、纵向控制通道。
作为本申请中优选的，S2.2.1、纵向控制通道包括俯仰角、高度和速度的控制。
作为本申请中优选的，S2.3、横侧向控制通道。
作为本申请中优选的，S2.3.1、横侧向控制通道包括滚转角、航向角和轨迹控制；
作为本申请中优选的，S2.4、通过PID控制方式控制每个环路，P、I、D三项系数分别为比例参数、积分系数、微分系数。
作为本申请中优选的，S2.4.1、P项系数防止超调过大、I项系数消除稳态误差、D项系数增加***的阻尼，控制误差的变化。
作为本申请中优选的，基于S3，S3.1、设定PID参数并加入至控制器模型中。
本发明至少具备以下有益效果：
本申请中控制律设计简单，不管对于复杂***还是非复杂***，具有通用性；
参数调整方便，不需要对整个飞机状态空间一一枚举区分；
误差修正迅速，具有较小的超调，能满足一个状态转至另一状态参数的无缝衔接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1为本发明提出的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法的流程框图；
图2为本发明提出的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法中函数变化曲线图一；
图3为本发明提出的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法中积分系数控制图；
图4为本发明提出的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法中函数变化曲线图二。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-4，一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，包括以下步骤：
S1、飞机运动方式划分，具体包括三类：第一类就是利用大气的浮力来运动，例如热气球等；第二类就是利用动力装置来运动；第三类分为固定翼和旋翼，固定翼飞机又分为好多种，单翼机分为上单翼，下单翼，双翼机以及三翼，直升机就是旋翼机，民用客机以及通用飞机还有军用战斗机都是固定翼飞机；
S2、通过姿态内环控制加位置外环控制的方式进行通道控制；
S2.1、控制方式采用姿态内环控制加位置外环控制，飞机的姿态运动是飞机绕本身质心的运动，姿态控制是位置控制的基础，飞行姿态控制***一般由姿态敏感元件、综合计算装置、信号给定装置和执行机构等组成，飞行姿态控制通过人工操纵和自动控制两种方式，实现姿态角稳定和姿态角控制两个基本功能，姿态角稳定指在给定飞行状态下，飞机受到扰动，基准状态被破坏，通过一定的操纵，飞机可以迅速、准确地恢复到原来的姿态角，姿态角控制指给人工操纵***或飞行自动控制***施加一个控制信号，使飞机改变原来的基准状态，在新的姿态下稳定飞行；
一般将飞行姿态控制分为纵向姿态控制和侧向姿态控制，纵向姿态控制是对飞机绕机体横轴转动，即俯仰角(或迎角)变化的稳定与控制，当通过人工操纵***来实现并进行纵向姿态(俯仰角)控制时，飞行员根据地平仪的指示，或根据天地线与机头、风挡之间的关系位置，判断飞机俯仰角的变化。通过前后操纵驾驶杆，改变升降舵(全动平尾)偏角，保持或改变飞机俯仰角；
侧向姿态控制是对绕机体纵轴和立轴转动，即坡度(倾斜角)和方向角变化的稳定与控制，当通过人工操纵***来实现并进行侧向姿态控制时，飞行员根据地平仪、转弯侧滑仪等仪表的指示，或根据天地线、前方参照物与机头、风挡之间的关系位置，判断飞机的侧向姿态(坡度和方向角)变化，再协调操纵驾驶杆和脚蹬，偏转副翼和方向舵，产生滚转力矩和偏转力矩，以达到控制侧向姿态的目的；
基于上述，若要改变俯仰角，飞行员通过给定装置给出俯仰角信号，该信号通过综合计算装置和执行机构，驱使升降舵(或全动平尾)偏转相应的角度，产生操纵力矩，使飞机俯仰角变化；当俯仰角达到所要求的数值后，***达到平衡，飞机保持在新的俯仰角下飞行；
S2.2、纵向控制通道涉及俯仰角、高度和速度的控制；
S2.3、横侧向控制通道涉及滚转角、航向角和轨迹控制，其中通道就是指飞机控制的功能，一般为比例模型的通道,就是遥控器摇杆推动的角度等于舵机旋转的角度，在操作时,发射机和接收机是一对一的，而通道数指的是遥控***的自由度,即能控制多少个部件，最高的是14通道；
S2.4、通过PID控制方式控制每个环路，其中应用PID控制的前提是***一定要是一个闭环***，闭环***就是一定要有反馈回路，要能及时反馈我们最终控制的那个量的状态，给到控制器，也就是说，PID控制是根据被控***的状态来进行控制的，申请人在传统PID控制方式的基础上，针对P、I、D三项系数，提出以下参数控制方式：
P项系数为比例参数，目的是为了在误差值较大时取较大值，误差值较小时取较小值，可有效防止超调过大，这样为了保证系数变化趋势与误差值变化趋势保持一致，引入以下公式：
Figure BDA0003640092350000061
其中，ε为误差值，期望值与实际值之差，p为比例项系数，p1、p2、p3为正实数，p1-p2决定系数的区间范围，p3决定系数调节的变化率；整个函数变化曲线如下图2所示；
I项系数为积分系数，目的是为了消除稳态误差，在实际控制过程中，期望的控制效果是在误差较小的时候引进积分系数，误差较大时取消积分系数，这样做的目的是防止随着仿真时间的推进，累积误差会越来大，达不到精准控制的效果；
在此基础上让积分系数外层加一控制开关，来决定什么时候开始修正误差，如下图3所示，
D项系数为微分系数，目的是增加***的阻尼，控制误差的变化率，微分系数的引入，目的是在误差较大时取较小值，误差较小时取较大值，这样有利于加快对小误差的反应速率，增加抗干扰能力，引入以下公式：
Figure BDA0003640092350000071
其中，ε为误差值，期望值与实际值之差，D为比例项系数，d1、d2、d3为正实数，d1+d3决定系数的区间范围，d3决定系数调节的变化率，整个函数变化曲线如下图4所示；
S3、通过对以上PID参数的设定，并加入到控制器模型当中去，可以很好的修正误差，达到预期的控制效果。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、飞机运动方式划分；
S2、通过姿态内环控制加位置外环控制的方式进行通道控制；
S3、设定参数，修正误差，达到控制效果。
2.根据权利要求1所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，基于S2，S2.1、通过飞行姿态控制***进行姿态内环控制加位置外环控制。
3.根据权利要求1所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，S2.2、纵向控制通道。
4.根据权利要求3所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，S2.2.1、纵向控制通道包括俯仰角、高度和速度的控制。
5.根据权利要求1所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，基于S2，S2.3、横侧向控制通道。
6.根据权利要求5所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，S2.3.1、横侧向控制通道包括滚转角、航向角和轨迹控制。
7.根据权利要求1所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，基于S2，S2.4、通过PID控制方式控制每个环路，P、I、D三项系数分别为比例参数、积分系数、微分系数。
8.根据权利要求7所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，S2.4.1、P项系数防止超调过大、I项系数消除稳态误差、D项系数增加***的阻尼，控制误差的变化。
9.根据权利要求1所述的一种用于固定翼飞机飞行模拟器自动飞行控制仿真方法，其特征在于，基于S3，S3.1、设定PID参数并加入至控制器模型中。
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