一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，属于航空航宇推进控制技术领域。本发明专利技术针对舰载机着舰时，甲板运动对其着舰安全性、精确性等性能的影响，以及ACLSLong的相位滞后问题，提出了一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，保证飞机运动与理想着舰点垂直运动的相位同步，从而使飞机能够准确地跟踪理想着舰点垂直运动。本发明专利技术首先通过对舰载机仿真系统的仿真得到高阶的着舰传递函数，并对其进行降阶处理，得到新的着舰传递函数；然后根据新的着舰传递函数，基于最小二乘法设计甲板运动补偿网络，将其加入舰载机着舰控制系统中，补偿着舰ACLSLong的相位滞后问题。仿真表明，基于最小二乘法的甲板运动补偿网络能补偿舰载机着舰时ACLSLong在频率0.2～0.7rad/s内的相位滞后。

A Deck Motion Compensation Method Based on Least Square Method

The invention discloses a deck motion compensation method based on least square method, which belongs to the technical field of aerospace propulsion control. Aiming at the influence of deck motion on the safety and accuracy of landing and the phase lag problem of ACLSLong, a deck motion compensation method based on least square method is proposed to ensure the phase synchronization between the aircraft motion and the vertical motion of the ideal landing point, so that the aircraft can accurately track the vertical motion of the ideal landing point. The method first obtains the higher-order landing transfer function through the simulation of the shipborne aircraft simulation system, and then reduces the order to obtain a new landing transfer function. Then, according to the new landing transfer function, the deck motion compensation network is designed based on the least square method, which is added to the shipborne aircraft landing control system to compensate the phase lag problem of ACLSLong. The simulation results show that the deck motion compensation network based on least squares method can compensate the phase lag of ACLSLong in the frequency range of 0.2-0.7 rad/s.

【技术实现步骤摘要】
一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法
本专利技术涉及舰载机着舰控制方法，属于航空航宇推进控制
，具体涉及一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法。
技术介绍
航空母舰/舰载飞机武器系统在第二次世界大战及战后的海湾战争、科索沃战争等局部战争中表现出了强大的综合作战能力和灵活机动能力，其军事价值受到了各军事大国的充分重视，并迅速发展成为海军舰队的核心力量和最强大的军备系统。目前，舰载机/航空母舰系统已成为各国巩固国防力量和提升国际地位的重要基石。但是，若要使航空母舰/舰载飞机武器系统发挥出最大的战斗能力仍然存在着很多难点。例如舰载机的起飞和着舰问题，特别是着舰问题，一直是舰载飞机与航空母舰兼容的核心难点。据美国海军统计，在二十世纪五年代，舰载机着舰每一万次就有高达35次事故发生。随着着舰引导技术的改进，舰载机着舰的安全性得到了很大的提高，但直到1964年，舰载机日间着舰每一万次仍有平均3.1次事故发生，而夜间着舰每一万次更有高达10次事故发生，着舰的事故率远远高于同时期陆基飞机着陆的事故率。据美国海军统计，舰载飞机着舰事故率为陆基飞机着陆事故率的1.5倍，而夜间(或能见度差、环境恶劣时)的事故率更高达白天的4倍。舰船的六自由度甲板运动是影响舰载机着舰安全的一个非常重要因素。舰载飞机在完成作战任务后，需要在没有任何参照物的情况下，安全地降落在长度有限并且运动着的航母飞行甲板上。由于海浪运动的作用，在海上航行的航母会产生六个自由度的甲板运动。甲板运动导致舰载机的理想着舰点(DTP)为三维空间的活动点，理想着舰点位置的变化，特别是理想着舰点高度的变化，大大增加了舰载机的着舰难度，甚至使飞机不能安全着舰。在舰载机着舰的最后阶段，当飞机实际高度与理想下滑轨迹的偏差上偏1.5m时，拦阻钩很容易挂空，飞机需要逃逸；当飞机实际高度与理想下滑轨迹的偏差下偏1.5m时，飞机就会有撞舰危险。根据资料，在一般中等海况下，某型号舰船以30节的典型速度行驶时，受海浪及风的作用，会产生俯仰角幅值1.05度，横滚角幅值6.0度，偏航角幅值0.7度，沉浮位移已达到1.52米的甲板运动。甲板运动补偿技术可以提高着舰精度，是舰载机着舰引导与控制技术的关键技术之一。在着舰过程中，为了消除甲板运动对着舰精度的影响，国内外学者指出，当飞机接近着舰时，应将甲板运动信息加入到自动着舰引导律信息中，使飞机能够跟踪甲板运动。但是，在实际情况中，只采取上述措施仍然会存在很大的飞机着舰误差，不能保证飞机可以安全着舰，因此需要进行甲板运动补偿技术研究，使着舰误差限制在军用安全标准规定范围内，从而提高航空母舰/舰载飞机武器系统的作战能力。甲板运动对纵向自动着舰引导系统ACLSLong的影响主要体现在由甲板运动造成的理想着舰点的高度变化上。关于ACLSLong的甲板运动补偿策略一般为：设计相位超前网络，以补偿着舰过程中由于ACLSLong相位滞后引起的飞机跟踪甲板运动的着舰跟踪误差。关于超前网络的设计一般有试凑法、期望特性方法，但是设计的补偿网络函数往往精度不准，难以达到较好的控制效果。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，可有效解决舰载机着舰过程中ACLSLong相位滞后问题。技术方案：一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，包括以下步骤：(1)通过对舰载机仿真系统的仿真得到高阶的着舰传递函数，并对其进行降阶处理，得到新的着舰传递函数GACLS(s)；(2)根据新的着舰传递函数GACLS(s)，利用最小二乘法设计甲板运动补偿器GDMC(s)，使得在甲板运动特征频率(ωs＝0.2～0.7rad/s)内满足条件GDMC(s)GACLS(s)s＝jω,ω＝0.2～0.7rad/s＝1；(3)将GDMC(s)加入舰载机的纵向自动着舰引导系统中，补偿着舰传递函数GACLS(s)在频率0.2～0.7rad/s的相位滞后。优选地，所述步骤(1)中着舰传递函数GACLS(s)的获取方法为：将输出高度与输入高度指令之间的函数关系通过MATLAB仿真得到状态矩阵，再经ss2tf转换，得到高阶的着舰传递函数，然后利用MATLAB中自带的hankelmr函数对高阶函数进行降阶，得到GACLS(s)。优选地，所述步骤(2)中甲板运动补偿器GDMC(s)的设计步骤包括：(21)甲板运动补偿网络的一般形式为：其中，τDMCs+1/TDMCs+1是一个超前滤波网络，其主要作用是相位补偿；为补偿滤波网络，其主要作用是抑制高频噪声和使甲板运动补偿网络满足一定的频宽要求；s是拉普拉算变化里的复变量，KDMC为补偿滤波器的增益，τDMC为补偿滤波器的时间常数，ξDMC为补偿滤波器的阻尼，ωDMC为补偿滤波器的自然频率，TDMC为超前滤波器时间常数；(22)将甲板运动补偿网络的一般形式转化为下式：GDMC(s)＝Gnum(s)Gden(s)即拆分成两个函数相乘，其中，Gnum(s)＝b3s3+b2s2+b1s+b0＝KDMC(τDMCs+1)(s2+2ξDMCωDMCs+ω2DMC)由此可将设计目标变为：Gnum(jω)Gden(jω)GACLS(jω)|ω＝0.2～0.7rad/s＝1则设计GDMC(s)在ω＝0.2～0.7rad/s逼近1/GACLS(jω)的设计要求转换为设计Gnum(s)在ω＝0.2～0.7rad/s逼近1/Gden(jω)GACLS(jω)的设计要求；(23)通过计算四个参数b3,b2,b1,b0的值来确定Gnum(s)，最终得到GDMC(s)。优选地，所述步骤(23)包括以下步骤：选取0～1rad/s内N个频率点[ω1,ω2,...ωN]，然后任选TDMC的值确定Gden(jω)，并取得Gden(jω)和GACLS(jω)在选取的N个频率点的频率响应Gden(k)和GACLS(k)(k＝1,2,…N)，然后以此计算b3,b2,b1,b0的值使Gnum(s)逼近频率响应特性1/Gden(k)GACLS(k)，令Gnum(k)＝1/Gden(k)GACLS(k)；由Gnum(s)＝b3s3+b2s2+b1s+b0，可得，Gnum(jω)＝b3(jω)3+b2(jω)2+b1(jω)+b0＝-b3jω3-b2ω2+b1(jω)+b0＝(-b2ω2+b0)+j(-b3ω3+b1ω)为了使Gnum(s)逼近频率响应特性1/Gden(k)GACLS(k)，则需上述两个式子可以转换为如下两种形式，更容易理解，即：记为和记为利用最小二乘法可以解得：采用上述方法便可得到b3,b2,b1,b0的值，Gnum(s)＝b3s3+b2s2+b1s+b0即可求解得到，则有益效果：本专利技术针对解决舰载机着舰过程中ACLSLong相位滞后问题，利用最小二乘法设计补偿器对ACLSLong进行相位补偿，相比试凑法、期望特性等方法，该方法具有以下有益效果：1、最小二乘法通过最小化误差的平方和寻找甲板运动补偿器传递函数GDMC(s)各项参数的最佳函数匹配，精度高。2、当舰载机纵向配平状态改变时，ACLSLong的传递函数也会改变，该方案能很快根据新的ACLSLong函数找到GDMC(s)各项系数，避免了试凑法的繁琐求解过程。附图说明图1为本专利技术控制系统的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，适用于舰载机着舰，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)通过对舰载机仿真系统的仿真得到高阶的着舰传递函数，并对其进行降阶处理，得到新的着舰传递函数GACLS(s)；(2)根据新的着舰传递函数GACLS(s)，利用最小二乘法设计甲板运动补偿器GDMC(s)，使得在甲板运动特征频率(ωs＝0.2～0.7rad/s)内满足条件GDMC(s)GACLS(s)s＝jω,ω＝0.2～0.7rad/s＝1；(3)将GDMC(s)加入舰载机的纵向自动着舰引导系统中，补偿着舰传递函数GACLS(s)在频率0.2～0.7rad/s的相位滞后。

【技术特征摘要】
1.一种基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，适用于舰载机着舰，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)通过对舰载机仿真系统的仿真得到高阶的着舰传递函数，并对其进行降阶处理，得到新的着舰传递函数GACLS(s)；(2)根据新的着舰传递函数GACLS(s)，利用最小二乘法设计甲板运动补偿器GDMC(s)，使得在甲板运动特征频率(ωs＝0.2～0.7rad/s)内满足条件GDMC(s)GACLS(s)s＝jω,ω＝0.2～0.7rad/s＝1；(3)将GDMC(s)加入舰载机的纵向自动着舰引导系统中，补偿着舰传递函数GACLS(s)在频率0.2～0.7rad/s的相位滞后。2.根据权利要求1所述的基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，其特征在于，所述步骤(1)中着舰传递函数GACLS(s)的获取方法为：将输出高度与输入高度指令之间的函数关系通过MATLAB仿真得到状态矩阵，再经ss2tf转换，得到高阶的着舰传递函数，然后利用MATLAB中自带的hankelmr函数对高阶函数进行降阶，得到GACLS(s)。3.根据权利要求1所述的基于最小二乘法的甲板运动补偿方法，其特征在于，所述步骤(2)中甲板运动补偿器GDMC(s)的设计步骤包括：(21)甲板运动补偿网络的一般形式为：其中，τDMCs+1/TDMCs+1是一个超前滤波网络，其主要作用是相位补偿；为补偿滤波网络，其主要作用是抑制高频噪声和使甲板运动补偿网络满足一定的频宽要求；s是拉普拉算变化里的复变量，KDMC为补偿滤波器的增益，τDMC为补偿滤波器的时间常数，ξDMC为补偿滤波器的阻尼，ωDMC为补偿滤波器的自然频率，TDMC为超前滤波器时间常数；(22)将甲板运动补偿网络的一般形式转化为下式：GDMC(s)＝Gnum(s)Gden(s)即拆分成两个函数相乘，其中，Gnum(s)＝b3s3+b2s2+b1s+b0＝KDMC(τDMCs+1)(s2+2ξDMCωDMCs+ω2DMC)由此可将设计目标变为：Gnum(jω)Gden(jω)GACLS(jω)|ω＝0.2～0.7rad...

【专利技术属性】
技术研发人员：万月丰，徐文萤，甄子洋，朱玉莲，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32