飞机平尾结冰检测及容冰纵向增稳控制器研究.doc
《飞机平尾结冰检测及容冰纵向增稳控制器研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《飞机平尾结冰检测及容冰纵向增稳控制器研究.doc(15页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、飞机平尾结冰检测及容冰纵向增稳控制器研究摘要:针对飞机平尾结冰的情况,通过参数识别及神经网络检测,定量分析飞机结冰严重程度,估计飞机飞行控制参数,并利用H2状态反馈技术设计飞机容冰纵向增稳控制器;仿真结果显示控制器对无冰、结冰情形均可有效保持飞机飞行稳定性,效果良好。关键词:飞机结冰;参数识别;神经网络;容冰控制;增稳控制;H2状态反馈控制Abstract: A method to quantificationally sense the severity of tailplane icing with algorithm as well as Neural Network is introd
2、uced, based on which a technique of icing-tolerant longitudinal stability augmentation control using H2 feedback method is developed. Simulation results show that such technique improved well the dynamic stability of aircraft.Keywords: Aircraft Icing; Parameter Identification; Neural Network; Icing-
3、tolerant Control; Stability Augmentation Control; H2 Feedback Control 引言飞机飞行时不可避免地受到外界干扰(如风扰动等)的影响。在外界干扰作用下,飞机飞行状态呈现不规律振荡,导致飞行稳定性变差。而飞机结冰后,冰层积聚在飞机表面,改变了飞机气动外形,改变了飞行控制参数,往往使飞机稳定性能更为恶化。飞机飞行时,一般均需在操纵系统中加入增稳控制系统,抑制飞行状态振荡,以更好地保持稳定性。飞机的飞行控制系统基于飞机的飞行动力学特性设计,需事先已知飞机飞行控制参数。而对于结冰后的飞机,目前的结冰检测手段如红外影像等通常只是对“是否结冰
4、”做出定性分析,无法估计飞机飞行控制参数变化。因此,在传统的结冰检测基础上,还需要定量检测结冰后飞机飞行控制参数,并基于此设计“容许结冰”的飞机控制系统,此即为容冰飞行控制(icing-tolerant control)基本概念。作为初步研究,本文仅针对于飞机平尾结冰的情形。基本流程如图1:1、 构造考虑飞机平尾结冰的飞机飞行动力学仿真模型;2、监测系统的控制输入及状态输出,利用参数识别算法初步估计飞机飞行控制参数。3、神经网络实时输入参数识别结果,定量检测分析飞机结冰与否及结冰的严重程度,确定飞机飞行控制参数。4、根据已确定的飞机飞行控制参数,利用H2状态反馈控制技术,设计飞机增稳控制器。图
5、11飞行动力学模型(Flight Dynamics Model) 1.1飞行动力学(纵向)控制方程飞机平尾结冰主要影响飞机纵向性能,对飞机横航向性能几乎没有影响,因此本文飞行动力学模型只考虑飞机纵向状态;同时,作为初步研究,本文模型采用线性化小扰动模型,初始状态点选择为定常水平飞行状态;飞行中外界扰动仅考虑风扰动影响。由此,飞行动力学控制方程为6: (1) (2) (3) (4)式中,分别对应飞机俯仰角速度、俯仰欧拉角、机体迎角及飞机在竖直平面内速度相对于初始状态点扰动偏量,初始值。初始状态点各状态值为4。即为飞机纵向主要控制参数,与相关联。为升降舵相对初始状态点控制输入,由飞行员或自动驾驶仪
6、控制,初始状态升降舵偏角为。式(1)-(4)中,为风扰动引起的过程噪音,由给定标准差的白噪声模拟;本文中均取为0.20g表征中等程度风扰动。1.2飞机结冰严重程度模型(Icing Severity Model)结冰前后,控制参数变化基本规律为7: (5)式中,、分别为结冰前、结冰后控制参数;为各参数对应的权值,由飞机本身属性(布局、结构等)决定,不同参数对应权值一般不同。为飞机结冰严重程度,一般取分为6级,模拟结冰不同严重程度。对应于无冰干净飞机,对应于结冰最严重情况。由此,仅需确定结冰严重程度值,即可确定飞行控制相关参数。结冰前干净飞机各控制参数及其对应的值见表17。表1 干净飞机各控制参数
7、及其对应权值(s-2)(s-2)(s-1)(fts-2)(fts-2)(fts-2)(fts-2)(s-1)参数值-7.86-10.44-3.055-378.7-40.3-19.713.71-0.018-0.99-0.996-0.35-0.951-0.955-0.137-0.141.1112参数识别(Parameter Identification)2.1参数识别算法(Parameter Identification Algorithm)将前文(1)-(4)式改写为: (6) (7)式中,即为升降舵控制输入。、。为对系统状态的测量输出,对应测量噪音。本文利用给定标准差的白噪声模拟测量噪音,标准
8、差即取为传感器测量精度。状态各量测量精度见表28。表2 状态各量传感器测量精度0.0167deg/s0.0293deg0.003deg0.039m/s式(6)中即为待识别的控制参数。为计算,首先,我们定义: (8)则对任意,参数识别递归算法为6: (9) (10)注意到(9)式,递归算法对系统状态及控制参数均进行估计,式(8)、(9)中,、即为递归计算初始估计值;、为各时刻估计值。式(8)中,为半范数( semi-norm);为泛化欧几里得范数(generalized Euclidean norm)。式(9)计算需要中间量,由式(10)确定,初始值,同时也为式(8)中计算泛化欧几里得范数的权矩
9、阵,初始时人为设定。为保证(9)式计算收敛,式(10)中需有,由(8)式确定。注意到值与密切相关,选取不当很容易使趋于无穷大,导致递归算法发散;下面讨论值的选取及值的确定。首先我们不加证明地给出,对于(10)式如果在任意时刻均有,则其等价于9;并且可以将写作9: (11)。由Schur分解可知当且仅当且时,有;将式(11)代入(10)式中则有:, (12), (13)对(12)式,显然若令,则;对(13)式,若令,则,若选取,则对任意均有。综上,给定,若令,对任意均有,则可知,此时识别算法可以进行。2.2参数识别结果可靠参数识别的基本要求是不可有将无冰飞机错报为结冰的“误警报”,因此本文对无冰
10、、结冰飞机 本文中,若无特别说明,“结冰飞机”均对应于结冰严重程度,即结冰最严重情况。均进行计算分析。同时,识别计算也应满足一定的快速性要求,以保证在可能的飞行事故发生以前尽快做出反应。图2 无冰、结冰飞机参数识别结果识别结果见图2。升降舵标准输入为大小,周期2秒的方波。另外,。研究表明,方向力控制参数通常收敛较慢,而方向力控制参数对噪音干扰过于敏感10,因此图中仅提供了俯仰力矩参数估计结果。对于结冰飞机,初始参数估计值即为表1中无冰飞机参数值。对于无冰飞机,前文提到此时控制参数与飞机初始状态点相关联,在使用算法时需预先根据已知信息(如地面风洞试验测量的控制参数值)估计递归计算初始值。为检验估
11、计偏差对识别算法的影响,图2中无冰飞机计算初始值分别相对于真实值有的偏差。图2中无冰、结冰飞机均重复计算25次以表征25个不同噪音路径,其中无冰情况下5个偏差每个偏差均重复计算5次。注意到图中各参数已相对于表1中无冰控制参数归一化,对于无冰飞机,显然参数归一化后真实值为1;对于结冰飞机,由(5)式及表1计算可得三个参数归一化后真实值分别为0.90,0.90,0.965。可见针对不同干扰噪音,无冰及结冰参数估计均可在升降舵输入一个周期(2秒)内较为准确的收敛到真实值。3神经网络检测(Neural Network Classification )神经网络具有从众多复杂耦合的相关输入中提取信息的能力
12、、本能的并行计算特性及良好的容错结构。同时,训练好的神经网络在检测过程中仅涉及对于权值、阀值的简单计算,具有良好的快速性。最后,神经网络具备离线训练的能力,可在地面利用仿真数据完成训练后在线进行检测,更为快速可靠。3.1网络结构图3 神经网络结构及传递函数S函数如图3,网络采用单隐层前馈BP神经网络,隐层节点数为7(注意图3仅为结构示意图,并不表示隐层节点数为5)。为使网络具有更好的非线性映像能力,各层间传递函数采用值域为(-1,1)的S函数。网络输入为参数识别的结果;前文提到方向力控制参数通常收敛较慢,而方向力控制参数对噪音干扰过于敏感,因此网络仅输入俯仰力矩三个控制参数。网络检测分析飞机结
13、冰严重程度,一般分为6级,取值分别为,注意到S函数值域为(-1,1),为防止网络输出饱和,我们将值人工映像到(-1,1)区间上,通过网络输出所处区间判断结冰严重程度。映射关系式见表3。表3 神经网络检测输出及其对应的值(-1.0,-0.8)-0.8,-0.4)-0.4,0.0)0.0,0.4)0.4,0.8)0.8,1.0)00.020.040.060.080.103.2网络训练数据前文提到,网络输入为参数识别检测到的三个俯仰力矩控制参数。参数识别中升降舵标准控制输入为大小、周期2秒的方波。在升降舵输入一个周期(2秒)内,参数识别已经可以取得较好的结果。进一步研究表明,改变升降舵输入大小、周期
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 飞机 结冰 检测 纵向 控制器 研究

链接地址:https://www.31ppt.com/p-3898538.html