多用途作战飞机复合控制技术研究

占正勇, 崔玉伟

(中航工业西安飞行自动控制研究所 飞控部, 陕西 西安 710065)

多用途作战飞机复合控制技术研究

占正勇, 崔玉伟

(中航工业西安飞行自动控制研究所 飞控部, 陕西 西安 710065)

为充分发挥多用途作战飞机的飞行特性,提高其在执行不同任务中的综合性能,提出了一种面向任务的复合控制技术框架。针对舵面控制不足和控制冗余两种情况,设计了相应的复合控制方案,并结合现有的复合控制方法,实现了基于飞行任务的复合控制策略。仿真结果表明,该控制策略能够有效地实现面向典型飞行任务链的复合控制,保证了整个任务过程的飞行性能。

飞行控制; 多用途; 复合控制

0 引言

现代战场环境的特点要求作战飞机必须同时拥有空战、对地和对海等打击能力,以应对来自空中、地面和海面各种可能的威胁,其多用途化已成为战术特性的一个重要指标。高灵活、高机动和高隐身等性能的追求使得多用途作战飞机开始普遍采用新型气动布局[1-2]。与传统飞机相比,它们具有气动冗余、操纵特性复杂且功能耦合等特点。对于飞行控制来说,舵面的控制方式和组合方式都不再唯一。面向任务的复合控制技术是解决多用途作战飞机在复杂任务需求下进行飞控系统设计的一项重要的解决方案。该技术不仅仅局限于对控制目标指令的简单实现,而且将复合控制扩展到不同的飞行任务阶段,追求多种最优性能指标。本文将针对飞机的复杂任务链进行复合控制的设计研究,探索面向任务的复合控制方法。

1 面向任务的复合控制技术框架

随着现代飞机平台在气动布局上的极大变化,新型气动舵面的种类和数目不断增加。另外,非气动舵面(如推力矢量)在飞行控制中的引入,又使得飞机具备了较多的控制冗余。因此,在飞机的可达运动集内,对于俯仰、滚转和偏航三轴力矩需求下的舵面偏转组合问题,与传统布局飞机的控制相比,可以存在多种组合提供相同的力矩,并且可以提供额外的控制力用来进行冗余控制,以满足舵面损伤或其他的目标需求。这样,多用途作战飞机的复合控制问题就成为一个多目标优化问题。例如:飞机起飞着陆阶段应考虑舵面的升阻特性以及升力对辅助舵面的需求,巡航飞行阶段要考虑舵面的阻力特性,空战、攻击等大机动飞行阶段要考虑飞机对新型舵面的需求。因此,根据飞行器不同飞行阶段下既定的飞行任务进行面向任务的复合控制技术研究具有实际意义。

面向任务的复合控制技术旨在研究飞机实际飞行过程中由于舵面的工作状态、飞行任务的要求变化,根据舵面管理状态和驾驶员操纵,实时地对舵面的组合方式和控制方式进行调整,以达到对多用途作战飞机性能的最大优化,而传统的飞控系统设计思路难以满足上述要求。如图1所示,面向任务的复合控制技术框架在传统飞控系统框架的基础上扩展飞行任务管理和舵面管理,针对各类常规、组合和新型舵面,进行控制功能的分配与管理,最终实现大系统的优化控制。其中,复合控制策略承担着核心作用。

图1 面向任务的复合控制技术框架Fig.1 Architecture of mission-oriented complex control technology

2 面向任务的复合控制设计方案

2.1 数学模型

在讨论面向任务的复合控制技术之前,先给出复合控制问题的数学描述:假设飞机期望的控制目标指令输出向量是v(t)∈Rk,称为虚拟控制量,一般为所需的三轴力矩v∈R3,各舵面的偏转量为u(t)∈Rm,称之为真实控制量或舵面偏转量。复合控制问题就是在给定待分配的控制目标指令输出向量v(t)及映射g:Rm→Rk(m>k)的情况下,求解方程g(u(t))=v(t),使u(t)满足期望的性能指标。

因此,与常规的飞行控制相比,面向任务的复合控制问题最明显的特征是其实现目标由原来的三维转化为四维。

首先,从优化的角度对含有任务目标的线性控制方法进行深入的探讨。当不存在舵面限制时,含有任务目标的线性控制问题可以归结为如下的优化问题:

(1)

式中:B∈Rk×m为控制效率矩阵。线性等式约束作为飞行控制中的控制目标,非线性优化目标作为任务目标,是针对飞行任务管理中要达到的飞行任务。

经分析可知,对于一定形式的优化目标,上式存在最优解。比如,当选择二次优化目标时,得到的解是通常所说的伪逆解:

(2)

u=W-1BT(BW-1BT)-1(v-Bupref)+upref

(3)

式中:upref为期望的舵面偏转量,一般追求其为0;W为权值矩阵。

在考虑舵面偏转的位置限制和速率限制的情况下,需要加入非线性不等式约束以防止舵面超出限制,此时含有任务目标的线性控制问题描述为:

(4)

(5)

式中:umin为舵面偏转的位置下限;T为系统的时间步长;ρmin为舵面偏转的速率下限;umax为舵面偏转的位置上限;ρmax为舵面偏转的速率上限。

由于舵面限制的存在,并不能保证式(4)中的等式约束总是成立,即可能不可达,因此引入额外的约束以确保其可达性:

(6)

式中:λ的含义为当待分配的控制目标指令不可达时,可以放松等式约束,以使其不超出舵面的固有限制,同时这也给待分配的控制目标指令是否可达提供了一个标识:如果λ=1,则可达,否则不可达。事实上,λ限制了待分配的控制目标指令,在不可达情况下可以通过维持转矩方向,减小其幅值的方法来实现分配解的求解。

上式在一步内既判断了待分配的控制目标指令是否可达,又能够在控制冗余的情况下通过选择合适的性能指标来达到任务目标。当λ≠1时,待分配的控制目标指令不可达,控制不足,则通过维持待分配的控制目标指令方向上的幅值最大化来实现。

2.2 控制不足情况下的解决方案

事实上,各舵面及其偏转限制使得复合控制问题的解决方案分为两个基本的部分:在舵面偏转限制范围内,待分配的控制目标指令是否可达,即可达性问题;在此前提下,当控制冗余时由该方法提出唯一的最优解;当控制不足时,缩小待分配转矩幅值以防止超出舵面限制,得出唯一的次优解。

根据以上分析,面向任务的复合控制问题可以分为以下两步来实现:

首先,待分配转矩的可达性问题可以通过求解下面的优化得到:

(7)

如果优化函数采用1-范数,那么可达性问题就可以转换为标准的线性规划问题:

(8)

式中:us为松弛变量。如果J=0,则表明待分配的控制目标指令可达,否则表明不可达,即控制不足。由于优化目标是最小化us,优化结果即舵面偏转向量u*给出了在1-范数准则下的最接近v的最优可达转矩。

综合起来,利用线性规划求解优化目标式(8)的结果可以用来判定待分配转矩的可达性。如果J=0,则待分配转矩可达并且可以利用下面所要阐述的控制冗余方案继续优化额外的任务目标;如果J≠0,则待分配转矩不可达。式(8)在1-范数的准则下按某个优化方向最小化Bu与v的距离,得到次优解u*。

2.3 控制冗余情况下的解决方案

本节接着对控制冗余情况下的解决方案给出说明。当式(8)的结果使得J=0时,表明获取待分配的控制目标指令过程中存在控制冗余。从本质上讲,控制冗余是指操纵效率机构对各个轴向控制通道提供的控制力和力矩的冗余。在传统的控制方案设计中,这类控制冗余往往被忽略,以致浪费飞机自身具备的控制能力。事实上,此时冗余的控制能力可以用来优化各类任务目标,在面向任务的复合控制中发挥巨大的潜力。

同样采用1-范数,下面的标准线性规划问题给出了控制冗余情况下的解决方案:

(9)

式中:upref和Wu的选择是基于待优化的任务目标。

因此,针对不同的飞行任务目标,式(7)和式(9)给出了面向任务的复合控制设计方案的最优解u*。如果J≠0,则u*在不超出舵面限制的情况下给出了以式(7)为性能指标准则下最接近v的转矩Bu*;如果J=0,则进一步可由式(9)求解得到最优解u*,此时的u*在不超出舵面限制的情况下,不仅达到了待分配的控制目标指令,而且在以式(9)为性能指标的准则下实现第四维目标的最优。

事实上,由于气动构型与飞行任务的不同,复合控制方法的选取原则也有所不同,应在充分分析飞机气动特性和舵面效能的基础上,结合上述设计方案,确定适当的复合控制策略,以达到不同任务的性能最优。

3 面向任务的复合控制设计模式

目前面向任务的复合控制设计大部分以舵面的偏转量最小为主要优化目标,而实际上在不同的飞行阶段有着不同的控制要求。通常巡航阶段应以飞行阻力较小[3-4]、节省飞机燃油为重点;机动飞行阶段,需产生较大的机动过载;同样还有最小雷达信号模式、最小翼面载荷等有各自不同的应用目标。复合控制设计模式与飞控系统设计原则的对应关系归纳如表1所示。

经过近30年的发展,解决复合控制问题的方法主要有:伪逆法及其改进法、串接链法、直接几何法、基于数学规划的复合控制以及智能控制等。

如前所述,在控制技术的应用研究中,在整个飞行阶段往往只考虑一种控制方法。事实上,由于飞机在不同飞行任务阶段追求的性能指标差异较大,在实际的飞行任务中必须综合考虑对特定任务的控制需求、飞机本体气动特性、发动机与推力矢量操纵特性、功能余度需求及安全裕度等5项要素,进行基于任务链的复合控制策略设计。

本文针对某型带推力矢量的常规布局战机,通过综合权衡设计,给出基于飞行任务阶段实时在线调整的复合控制策略,以达到飞机的最佳性能要求,如表2所示。

表1 复合控制设计模式Table 1 Complex control types

表2 基于飞行任务阶段的复合控制策略Table 2 Complex control strategies based on flight missions

4 仿真验证

针对起飞后快速爬升、巡航飞行、进入战区、退出战区的典型任务链进行仿真分析,以验证飞行过程中所采用的面向不同任务的复合控制方案的有效性。

仿真初始高度为100 m,初始速度为90 m/s,机动过程如下:

(1)飞机大角度快速爬升到6 000 m,采用常规舵面+襟翼+推力矢量串接链法;

(2)飞机在6 000 m高度平飞巡航进入战区,采用常规舵面伪逆法;

(3)在战区内快速平面转弯,采用常规舵面+推力矢量的串接链法;

(4)退出战区采用蛇形机动规避攻击,在机动过程中升降舵面卡死在2°,采用常规舵面+襟翼+推力矢量的加权伪逆法。

面向任务链的复合控制机动响应曲线和状态响应曲线分别如图2和图3所示。从仿真曲线可以看出,在初始快速爬升段,为达到快速爬升的飞行任务,在升降舵处于饱和状态、常规舵面控制能力不足的情况下,依据选择的串接链法,增加俯仰推力矢量的辅助控制,飞机实现快速爬升;在平飞段,常规舵面控制即可满足巡航飞行的任务目标;在快速转弯阶段,侧滑角比较小,在方向舵没有达到饱和、存在控制冗余的情况下,偏航推力矢量没有参与控制;在快速蛇形机动逃逸过程中,正常情况下各舵面均未饱和时,推力矢量没有参与控制;当升降舵面卡死之后,为继续完成俯仰机动,俯仰推力矢量实现重构控制。在整个机动过程中,飞机各舵面按照所选择的控制策略协调控制,很好地完成了任务链的机动控制,验证了本文所提出的面向任务的复合控制设计方案的正确性,以及基于飞行阶段调整的复合控制策略的有效性。

图2 机动响应曲线Fig.2 Maneuvering response curve

图3 状态响应曲线Fig.3 State response curves

5 结束语

本文从多用途作战飞机的气动特性出发,提出了面向任务的复合控制技术框架,基于优化方法灵活地实现了面向任务的复合控制设计方案,并结合复合控制设计模式给出了典型飞行任务阶段的复合

控制策略。针对某型多用途作战飞机的典型任务链进行了仿真验证。结果表明,该控制策略能有效地解决其复合控制问题,实现整个飞行过程性能的提升,具有较大的工程应用价值。

[1] 张汝麟.飞行控制与飞机发展[J].北京航空航天大学学报,2003,29(12):1077-1083.

[2] 占正勇,刘林.控制分配在复杂飞行控制系统中的应用设计[J].飞行力学,2006,24(2):73-76.

[3] Frost S A,Taylor B R,Jutte C V,et al.A framework for optimal control allocation with structural load constraints[R].AIAA-2010-8112,2010.

[4] Chen Yan,Wang Junmin.A global optimization algorithm for energy-efficient control allocation of over-actuated systems[C]//American Control Conference.San Francisco,CA,2011:5300-5305.

(编辑：姚妙慧)

Research on complex control for multi-purpose combat aircraft

ZHAN Zheng-yong, CUI Yu-wei

(Department of Flight Control, AVIC Xi’an Flight Automatic Control Research Institute, Xi’an 710065, China)

To take full advantage of flight characteristics and enhance the comprehensive performance of combat aircraft, a mission-oriented complex control technology architecture was presented. The complex control schemes which were used in the control-deficiency and control-sufficiency flight states were derived, and a complex control strategy based on the flight missions was adopted. The simulations demonstrate that, the control strategy can deal with complex control oriented to the typical flight mission chain so as to ensure the flight performance during the whole flight.

flight control; multi-purpose; complex control

2015-03-11;

2015-06-26;

时间:2015-08-17 11:05

航空科学基金资助(2013ZC18003)

占正勇(1975-)，男，湖北麻城人，研究员，博士，研究方向为飞行控制理论与应用。

V249.1

A

1002-0853(2015)06-0537-05