一种飞机推出模糊滑模控制方法技术

一种飞机推出模糊滑模控制方法，本发明专利技术涉及飞机推出模糊滑模控制方法。本发明专利技术是要解决机场地面交通拥挤，机场地面运行效率低，飞机地面油耗高和环境污染的问题而提出的一种飞机推出模糊滑模控制方法。该方法是通过1、明确飞机离港过程的约束条件，并提出飞机离港过程建模的假设条件；2、运用排队论对飞机离港过程进行建模；3、将机场地面信息的模拟信号转化为数字信号；4、计算得到单位时间内飞机平均排队长度Q(t)，平均轮候时间T(t)，排队长度误差E(t)以及排队长度误差变化量EC(t)；5、推出飞机数量U(t)；6、得到不会对系统造成波动的飞机推出数量的U(t)或U′(t)统称为N(t)；7、经转换器将N(t)的模拟信号反馈给执行机构等步骤实现的。本发明专利技术应用于飞机推出模糊滑模控制领域。

【技术实现步骤摘要】
一种飞机推出模糊滑模控制方法
本专利技术涉及飞机推出模糊滑模方法，特别涉及一种飞机推出模糊滑模控制方法。
技术介绍
随着我国航空运输的快速发展，民航业务需求量持续上升。2013年，全国民航旅客吞吐量达到3.54亿人，且近几年的年均增长率均在10％以上。然而，我国机场基础设施的建设却因受到各方面的限制和影响而难以与日益增长的旅客客流相匹配，造成机场“容量”与客流“需求”之间的失衡。一方面，作为飞机离港过程中的瓶颈，机场跑道本身具有物理限制(如修建周期长，过程复杂及投资大)，短期内难以得到缓解。另一方面，我国机场业务不均衡问题突出，航空运力集中于少数几个大型枢纽机场的现象加剧了我国机场现有运行资源的紧张局面。当机场容量小于航班流量时，就会发生交通拥挤和延误现象，给民航运输业的发展带来挑战。机场地面交通拥堵所导致的直接后果就是航班延误加剧、飞机轮候时间延长。据统计，2010年，我国总体航正点率仅为75.8％。解决机场地面交通拥堵的问题有以下两种方法：一是，加强机场基础设施建设，增加机场容量；二是，通过智能控制飞机离港过程，提高现有机场基础设施的使用效率。就当前情况来看，后者才是解决机场地面交通拥堵问题的最直接、快速、有效途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决机场地面交通拥挤，机场地面运行效率低，飞机地面油耗高和环境污染的问题而提出的一种飞机推出模糊滑模控制方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：步骤一：分析飞机离港过程，明确飞机离港过程的约束条件，并提出飞机离港过程建模的假设条件；其中，飞机离港过程的约束条件如下：一条跑道仅容纳一架飞机，跑道上飞机与飞机之间的间隔需大于尾流间隔；对飞机离港过程建模做如下假设条件为：飞机都取相同的最小尾流安全距离；步骤二：运用排队论对飞机离港过程进行建模；即将整个飞机离港过程看作一个串联排队系统，并计算出飞机离港过程的串联排队系统的平均排队长度和飞机离港过程串联排队系统的平均轮候时间步骤三：采用机场现有电子设备以单位时间间隔采集机场地面信息，并将机场地面信息反馈给塔台控制中心，利用塔台控制中心的转换器将机场地面信息的模拟信号转化为数字信号；其中，采集机场地面信息包括：飞机滑行时间、飞机在跑道上加速至起飞所用时间、单位时间内飞机进入滑行道和跑道的到达率λ1和λ2、单位时间内滑行道和跑道的服务率μ1和μ2；步骤四：根据步骤三中的数字信号利用和计算得到单位时间内飞机平均排队长度Q(t)，平均轮候时间T(t)，排队长度误差E(t)以及排队长度误差变化量EC(t)；步骤五：将单位时间内飞机排队长度误差E(t)及飞机排队长度变化量EC(t)作为输入量，输入模糊控制器即模糊逻辑控制器进行模糊控制器运算得到输出量即推出飞机数量U(t)；步骤六：将模糊控制器的输出量即推出飞机数量U(t)输入到滑模控制器中；如果切换增益能消除飞机推出数量滑模控制系统干扰项，将U(t)直接输出；如果切换增益不能消除飞机推出数量滑模控制系统干扰项，对U(t)进行纠正得到可靠值U′(t)，并将纠正后的U′(t)输出给执行结构，其中，将不会对系统造成波动的飞机推出数量的U(t)或U′(t)统称为N(t)；步骤七：模糊滑模控制器验证后的可靠值N(t)，经转换器将N(t)的数字信号转化成模拟信号，并将模拟信号反馈给执行机构；执行机构向推出飞机数量信息的电子设备发送推出指令；即完成了一种飞机推出模糊滑模控制方法。专利技术效果为了缓解机场地面交通拥挤，提高机场地面运行效率，减少飞机地面油耗和环境污染，实现飞机离港过程的智能控制，本专利技术公开了一种飞机推出模糊滑模控制方法，包括飞机离港过程分析，飞机离港过程建模，定时数据采集及处理，模糊控制器运算，滑模控制器验证，输出执行指令。通过分析飞机离港过程，将该过程视为一个串联排队系统，运用排队论构建飞机离港队列模型，得到飞机离港队列的平均排队长度和平均轮候时间的计算公式；采集单位时间内飞机滑行时间及在跑道加速至起飞所用时间等数据，求得单位时间内飞机离港队列的平均排队长度，平均轮候时间，队列长度误差及其变化量；以排队长度误差及其变化量为输入、推出飞机数量为输出，设计一个双输入单输出结构的模糊控制器，根据模糊控制规则和推理运算确定推出飞机数量，将其输入以状态空间、切换函数、控制函数构成的滑模控制器中，以判断该输出量(推出飞机数量)是否可靠，若可靠，则直接输出；若不可靠，则经纠正后输出；输出量经转换器由数字信号转化成模拟信号，反馈给执行机构，下达飞机推出指令。本专利技术以模糊控制器为主控运算，辅以滑模控制器的验证纠错功能，实现飞机推出的双保险控制，可有效地缓解机场地面交通拥堵，提高机场运行效率，还可最大程度地将飞机在滑行道和跑道队列中的轮候时间转化为停机坪的等待时间，还可减少飞机待飞油耗，降低环境污染，具有广阔的应用前景。本专利技术对西安咸阳国际机场T3航站楼单跑道的飞机推出进行控制，并用软件进行仿真，仿真结果显示采用基于模糊滑模控制方案后，196架次航班的平均轮候时间从仿真前的6.6min下降到了5.6min，同比下降了15％。而平均排队长度则从仿真前的5架次下降到4架次，同比下降了20％。附图说明图1为具体实施方式一提出的本专利技术飞机离港过程示意图；图2(a)为具体实施方式一提出的模糊控制器输入输出的误差E的隶属函数；图2(b)为具体实施方式一提出的模糊控制器输入输出的误差变化量EC的隶属函数；图2(c)为具体实施方式一提出的模糊控制器输入输出的可推出飞机数量U的隶属函数；图3为具体实施方式一提出的基于模糊滑模理论的飞机推出总体控制方案流程图。具体实施方式具体实施方式一：结合图1、图2(a)～(c)和图3说明本实施方式的一种飞机推出模糊滑模控制方法，具体是按照以下步骤制备的：一种飞机推出模糊滑模控制方法包括飞机离港过程分析与建模，定时数据采集及处理，模糊控制器运算，滑模控制器验证，输出执行指令，步骤一：飞机离港过程分析；分析飞机离港过程，明确飞机离港过程的约束条件，并提出飞机离港过程建模的假设条件；其中，飞机离港过程(见附图1)为：空管中心发出起飞指令，由牵引车将飞机从停机坪推出至滑行道入口，飞机脱离牵引车并打开辅助动力系统进入滑行道队列，滑行至滑行道末端即进入跑道队列，待前方飞机起飞后便加速起飞，正常离港；本专利技术对飞机离港过程设定一些约束条件并做适当简化，以保证建模准确性和合理性；飞机离港过程的约束条件如下：一条跑道仅容纳一架飞机，跑道上飞机与飞机之间的间隔需大于尾流间隔；对飞机离港过程建模做如下假设条件为：忽略入港飞机的影响，暂不考虑飞机机型，飞机都取相同的最小尾流安全距离；步骤二：飞机离港过程建模；运用排队论对飞机离港过程进行建模；即将整个飞机离港过程看作一个串联排队系统，并计算出飞机离港过程的串联排队系统的平均排队长度和飞机离港过程串联排队系统的平均轮候时间步骤三：定时数据采集及处理；采用机场现有电子设备以单位时间间隔采集机场地面信息，并将机场地面信息反馈给塔台控制中心，利用塔台控制中心的转换器将机场地面信息的模拟信号转化为数字信号；其中，采集机场地面信息包括：飞机滑行时间、飞机在跑道上加速至起飞所用时间、单位时间内飞机进入滑行道和跑道的到达率λ1和λ2、单位时间内滑行道和跑道本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机推出模糊滑模控制方法，其特征在于一种飞机推出模糊滑模控制方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一：分析飞机离港过程，明确飞机离港过程的约束条件，并提出飞机离港过程建模的假设条件；其中，飞机离港过程的约束条件如下：一条跑道仅容纳一架飞机，跑道上飞机与飞机之间的间隔需大于尾流间隔；对飞机离港过程建模做如下假设条件为：飞机都取相同的最小尾流安全距离；步骤二：运用排队论对飞机离港过程进行建模；即将整个飞机离港过程看作一个串联排队系统，并计算出飞机离港过程的串联排队系统的平均排队长度和飞机离港过程串联排队系统的平均轮候时间步骤三：采用机场现有电子设备以单位时间间隔采集机场地面信息，并将机场地面信息反馈给塔台控制中心，利用塔台控制中心的转换器将机场地面信息的模拟信号转化为数字信号；其中，采集机场地面信息包括：飞机滑行时间、飞机在跑道上加速至起飞所用时间、单位时间内飞机进入滑行道和跑道的到达率λ1和λ2、单位时间内滑行道和跑道的服务率μ1和μ2；步骤四：根据步骤三中的数字信号利用和计算得到单位时间内飞机平均排队长度Q(t)，平均轮候时间T(t)，排队长度误差E(t)以及排队长度误差变化量EC(t)；步骤五：将单位时间内飞机排队长度误差E(t)及飞机排队长度变化量EC(t)作为输入量，输入模糊控制器即模糊逻辑控制器进行模糊控制器运算得到输出量即推出飞机数量U(t)；步骤六：将模糊控制器的输出量即推出飞机数量U(t)输入到滑模控制器中；如果切换增益能消除飞机推出数量滑模控制系统干扰项，将U(t)直接输出；如果切换增益不能消除飞机推出数量滑模控制系统干扰项，对U(t)进行纠正得到可靠值U′(t)，并将纠正后的U′(t)输出给执行结构，其中，将不会对系统造成波动的飞机推出数量的U(t)或U′(t)统称为N(t)；步骤七：模糊滑模控制器验证后的可靠值N(t)，经转换器将N(t)的数字信号转化成模拟信号，并将模拟信号反馈给执行机构；执行机构向推出飞机数量信息的电子设备发送推出指令；即完成了一种飞机推出模糊滑模控制方法。...

【技术特征摘要】
1.一种飞机推出模糊滑模控制方法，其特征在于一种飞机推出模糊滑模控制方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一：分析飞机离港过程，明确飞机离港过程的约束条件，并提出飞机离港过程建模的假设条件；其中，飞机离港过程的约束条件如下：一条跑道仅容纳一架飞机，跑道上飞机与飞机之间的间隔需大于尾流间隔；对飞机离港过程建模做如下假设条件为：飞机都取相同的最小尾流安全距离；步骤二：运用排队论对飞机离港过程进行建模；即将整个飞机离港过程看作一个串联排队系统，并计算出飞机离港过程的串联排队系统的平均排队长度和飞机离港过程串联排队系统的平均轮候时间步骤三：采用机场现有电子设备以单位时间间隔采集机场地面信息，并将机场地面信息反馈给塔台控制中心，利用塔台控制中心的转换器将机场地面信息的模拟信号转化为数字信号；其中，采集机场地面信息包括：飞机滑行时间、飞机在跑道上加速至起飞所用时间、单位时间内飞机进入滑行道和跑道的到达率λ1和λ2、单位时间内滑行道和跑道的服务率μ1和μ2；步骤四：根据步骤三中的数字信号利用和计算得到单位时间内飞机平均排队长度Q(t)，平均轮候时间T(t)，排队长度误差E(t)以及排队长度误差变化量EC(t)；步骤五：将单位时间内飞机排队长度误差E(t)及飞机排队长度变化量EC(t)作为输入量，输入模糊控制器即模糊逻辑控制器进行模糊控制器运算得到输出量即推出飞机数量U(t)；步骤六：将模糊控制器的输出量即推出飞机数量U(t)输入到滑模控制器中；如果切换增益能消除飞机推出数量滑模控制系统干扰项，将U(t)直接输出；如果切换增益不能消除飞机推出数量滑模控制系统干扰项，对U(t)进行纠正得到可靠值U′(t)，并将纠正后的U′(t)输出给执行结构，其中，将不会对系统造成波动的飞机推出数量的U(t)或U′(t)统称为N(t)；步骤六中对U(t)进行纠正得到可靠值U′(t)的具体过程：(1)滑模控制器系统的状态空间为当前串联排队系统中飞机平均排队长度的导数值，表示如下：其中：Q(t)——当前串联排队系统中飞机平均排队长度；Q(t-1)——单位时长前串联排队系统中飞机平均排队长度；T——单位时长；μ2——跑道服务率；U(t)——推出飞机数量；d(t)——未知干扰，即推出飞机数量的误差；(2)确定滑模控制器切换函数和机场地面串联排队系统的广义误差E(t)为实际排队长度与期望排队长度的误差得到滑模控制器的切换函数S(t)为：式中：E(t)——当前各飞机排队长度误差；——当前各飞机排队长度误差的导数，系数c大于0，且满足Hurwitz条件；(3)Lyapunov函数为：其中，S为切换函数即S(t)；且，则，(4)滑模控制器的控制函数U(t)即滑模控制律为：取K(t)＝max|d(t)|+η，η>0，η为误差项；(5)若S>0，S为切换函数即S(t)，则sgn(S)＝1；若S＝0，则sgn(S)＝0；若S<0，则sgn(S)＝-1；将控制律U(t)带入中，得K(t)值必须足以消除不确定项的影响，才能保证滑模存在条件成立；由此可得模糊规则如下：若则增大K(t)；若则减小K(t)；从而确定K(t)的变化量以保证滑模存在条件成立；(6)采用二维模糊控制器计算△K(t)；a、确定模糊控制器结构，模糊控制器的输入为S和输出为△K(t)，即推出飞机数量的变化量△U(t)；b、确定输入参数S的论域、输入参数的论域、输出参数△K(t)的论域、输入参数S的相应语言值、输入参数的相应语言值、输出参数△K(t)的相应语言值、输入参数S的模糊子集、输入参数的模糊子集和输出参数△K(t)的模糊子集；c、确定输入参数S的隶属度、输入参数的隶属度和输出参数△K(t)的隶属度；d、根据K(t)的变化量确定滑模控制器的模糊控制规则；根据模糊控制规则按照模糊控制原理进行计算得到△K(t)，即为推出飞机数量变化量△U(t)；(7)对U(t)进行纠正得到可靠值U′(t)具体为：U′(t)＝U(t)+△K(t)；步骤七：模糊滑模控制器验证后的可靠值N(t)，经转换器将N(t)的数字信号转化成模拟信号，并将模拟信号反馈给执行机构；执行机构向推出飞机数量信息的电子设备发送推出指令；即完成了一种飞机推出模糊滑模控制方法。2.根据权利要求1所述的一种飞机推出模糊滑模控制方法，其特征在于：步骤二中运用排队论对飞机离港过程进行建模具体过程为：(1)将整个飞机离港过程作为一个串联排队系统，飞机进入滑行道为第一个排队系统，飞机离开滑行道进入跑道为第二个排队系统；(2)假设飞机到达滑行道和跑道均服从泊松分布，到达率分别为λ1和λ2；滑行道和跑道的输出过程均服从负指数分布，滑行道服务率为μ1和跑道服务率为μ2，且μ1和μ2相互独立；则飞机离港过程串联排队系统的平均...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚平，刘翰宁，邢志伟，程绍武，付川云，韦钰，别一鸣，程国柱，彭挺，李河江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23