[發明專利]一種分布式電推進飛機偏航的控制方法及系統

在審

• 申請號: 202110322279.5
• 申請日: 2021-03-25
• 公開（公告）號: CN112947530A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 寇鵬;王京;梁得亮
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 賀小停

本發明涉及一種分布式電推進飛機偏航的控制方法及系統。基于分布式電推進飛機的線性狀態空間模型，飛機在接收到來自空管中心的偏航指令后，針對偏航目標角度，飛行控制計算機采用模型預測控制算法實施對飛機的航向姿態控制，實現各個推進器的最優推力分配，使實際偏航角度盡可能跟隨偏航目標角度。通過模型預測控制算法，沿飛機對稱平面對稱分布的推進器提供差動推力來實現純動力偏航，或由推進器及飛機的操縱舵面共同作用實現混合動力偏航。本發明控制可以提高系統容錯性，為飛機偏航實現提供了更多可能。

技術領域

本發明屬于飛機偏航控制技術領域，具體涉及一種分布式電推進飛機偏航的控制方法及系統。

背景技術

傳統飛機通過操縱機身表面的升降舵、方向舵及副翼三個舵面來控制飛機的六個自由度，從而實現姿態控制，形式較為單一；此外由于飛機本身運動方程存在耦合現象，實施航向姿態控制時需要多個舵面的相互配合。當飛機出現系統故障如操縱舵面失效，機身受到物理破壞時加大了對飛機姿態的控制難度。近些年來隨著航空電氣化的推動，分布式電推進飛機受到了廣泛關注，得到了持續快速發展。

對于分布式電推進飛機的姿態控制來說，除了操縱三個舵面，推力可成為另外的可操縱量。由于響應速度快、輸出轉矩可精確測量的特點，通過控制電動機來實現推力控制可使系統更加高效。經對現有技術的公開文獻檢索及公開資料調研，目前利用電推進器的推力控制分布式電推進飛機實現動力偏航的控制策略研究很少，且這些研究未充分考慮整體分布式電推飛機的動力學模型，并未實現對推進器推力的最優控制。

由于飛機機械結構、飛行穩定性、乘客舒適性等因素的制約，飛行控制問題常常包含各種等式及不等式約束。因此需要尋找一種能夠充分處理約束的控制策略，來實現飛機航向控制過程中電推進器的最優推力分配。

發明內容

本發明的目的是提供一種分布式電推進飛機偏航的控制方法及系統，以解決上述問題。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：

一種分布式電推進飛機偏航的控制方法，包括以下步驟：

步驟1，空管中心發出偏航指令后，飛行控制計算機接收到偏航目標信息，針對偏航目標角度，飛行控制計算機采用模型預測控制算法實施對飛機的航向姿態控制；

步驟2，模型預測控制算法基于飛機六自由度線性狀態空間模型計算分布式電推進飛機的最優偏航方案；模型預測控制算法根據推進器及飛機的性能指標施加控制約束與狀態約束；

步驟3，按計算值對各推進器的推力及升降舵、方向舵、副翼的偏轉角度進行調整。

進一步的，飛機六自由度線性狀態空間模型按照以下步驟建立：

基于小擾動原理，對飛機運動方程線性化，建立常規飛機的六自由度線性狀態空間模型：

其中，狀態量x＝[ΔV Δβ Δα Δp Δq Δr Δφ Δθ Δψ]^T，V為飛行速度、β為側滑角、α為迎角、p為滾轉角速度、q為俯仰角速度、r為偏航角速度、φ為滾轉角、θ為俯仰角、ψ為偏航角；控制量u＝[Δδ_e Δδ_a Δδ_r]^T，δ_e為升降舵偏轉角、δ_a為副翼偏轉角、δ_r為方向舵偏轉角；輸出量y＝Δψ；

建立推進器的動力學模型：

建立輸入量包含電推進器推力的飛機六自由度線性狀態空間模型：

其中