未知故障下飛機的自適應飛行安全控制.pdf

1、近年來，由于航空科學的發(fā)展，飛機已經(jīng)成為一種比較常用的交通工具，對于飛機制造商、飛行員和乘客來講，飛行安全一直是首要考慮的問題。盡管現(xiàn)代飛機已經(jīng)使用了很多安全措施，包括采用多重的傳感器系統(tǒng)和冗余的執(zhí)行機構(gòu)等，但飛行事故還是難以避免。由于飛行員在駕駛艙內(nèi)僅能夠得到的有限的信息，有時很難正確的判斷問題所在和保持穩(wěn)定飛行控制。飛行安全控制系統(tǒng)可以輔助飛行員進行正確的判斷和操作，這對提高故障或者受損后飛機的生存能力具有重要意義。
　　本文

2、提出了一種基于平穩(wěn)飛行狀態(tài)的自適應飛行安全控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合完整的非線性飛機動力學模型，針對未知故障下飛行安全控制中的若干關鍵問題，包括故障后飛機的迅速自適應穩(wěn)定控制和平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤、在線系統(tǒng)辨識和平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索等，展開了研究。論文的主要研究工作如下：
　　首先，建立了雙引擎固定翼飛機的非線性動力學模型，并進行了線性化分析。針對NASA雙引擎通用飛機模型GTM，研究了故障后飛機系統(tǒng)的自適應飛行控制方法。設計了基于追溯代價的

3、自適應控制方法對多種故障情況下的飛機進行穩(wěn)定控制，包括控制舵面故障、氣動力系數(shù)變化、機體結(jié)冰和引擎故障等情況。相對于傳統(tǒng)的基于故障診斷信息的容錯控制策略，該方法可以在未知故障具體信息情況下根據(jù)控制輸入與系統(tǒng)輸出來迅速調(diào)節(jié)控制器增益，利用執(zhí)行器在功能上的冗余使飛機系統(tǒng)迅速達到穩(wěn)定。
　　其次，針對無法精確判斷故障信息的情況，為了逐步得到足夠的平穩(wěn)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)和飛行包絡線信息，針對飛機局部小范圍線性化模型，設計了基于追溯代價的在線系統(tǒng)

4、辨識方法RCSI，該方法可以將辨識目標集中在一個特定的子系統(tǒng)上，解決了當目標子系統(tǒng)的輸入輸出無法進行精確測量時的系統(tǒng)辨識問題。此外，對飛機局部小范圍線性化模型中不確定的參數(shù)辨識進行了大量的仿真分析，包括常值參數(shù)估計、時變參數(shù)估計和多參數(shù)估計，分析了不同量測噪聲情況下的估計精度與估計速度。針對狀態(tài)矩陣中重復出現(xiàn)參數(shù)的辨識，設計了一種基于雅克比矩陣的子系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)，并在飛機縱向線性化運動模型的基礎上對飛行速度變化進行了估計。以飛機左翼受損的

5、情況為例，在局部小范圍線性化模型的基礎上，運用RCSI系統(tǒng)辨識算法實現(xiàn)了全部參數(shù)的精確辨識。
　　再次，針對部分故障情況需要在線建立滿足迫降軌跡規(guī)劃的平穩(wěn)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的問題，提出了一種基于人工勢場法的故障后飛機平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法，利用局部飛行包絡線信息建立了基于吸引勢力與排斥勢力的探索規(guī)劃流程。對二維探索算法容易陷入局部極小值和探索效率低的問題，提出了三維平穩(wěn)飛行狀態(tài)探索算法，通過仿真分析驗證了算法的有效性。針對平穩(wěn)飛行狀態(tài)探

6、索過程中的飛行軌跡可行性問題，考慮不同應用情況提出了兩種結(jié)合飛行狀態(tài)空間和物理空間的避障算法。第一種算法中，物理空間障礙被映射為飛行狀態(tài)空間內(nèi)的排斥勢力，該算法優(yōu)點是可以保持受損飛機飛行狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，避免飛行狀態(tài)劇烈變化導致故障惡化；第二種為基于預測路徑的避障算法，其可以以最快速度避開物理空間障礙提高狀態(tài)探索過程中的避障效率。仿真結(jié)果驗證了兩種避障算法的有效性。
　　最后，研究了基于追溯代價的自適應平穩(wěn)飛行狀態(tài)指令跟蹤算法，在雙