一种适用于高速直升机的最优控制分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种适用于高速直升机的最优控制分配方法，包括三个层级：顶层的运动控制算法、核心的最优控制分配算法和底层的作动器控制算法；三者之间的逻辑关系：顶层运动控制算法根据当前运动状态和目标状态，基于反馈控制方法，计算需用控制力与控制力矩；核心最优控制分配算法考虑操纵系统各项物理约束，基于QP方法，完成需用控制力与控制力矩到冗余操纵面的最优分配；作动器控制算法根据控制分配结果，完成作动器控制指令计算。本发明专利技术能够提高高速直升机的自主能力，增强飞控系统性能，特别是针对大速度包线飞行中动力学特性变化剧烈的情况，能够合理处理操纵系统物理约束，最大化冗余操纵面的优势，充分发挥直升机性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高速直升机的最优控制分配方法


[0001]本专利技术属于航空飞行控制
，涉及一种适用于高速直升机的最优控制分配方法。

技术介绍

[0002]高速度直升机具有独特的飞行性能和军事价值。与传统单旋翼单尾桨直升机相比，高速直升机不仅具备垂直起降能力，可完成全地形条件下的起降任务，同时还可以飞得更远、更快且更高效，为满足未来将垂直起降功能、可持续高速巡航能力及高机动作战能力结合的作战需求提供了解决思路。此外，因高速直升机飞行包线大、动力学非线性和耦合性强，操纵面操纵效率变化剧烈，为保证全飞行包线内的飞行品质，高速直升机需配置冗余操纵装置与作动系统，如何完成实时的最优控制分配是一大挑战。
[0003]目前，高速直升机的控制分配方法研究尚属新兴领域，现有成果主要可分为两种思路：
[0004](1)基于分段、分组的操纵面分配方法：根据飞行速度将全飞行包线分为不同飞行段，根据不同飞行速度下各操纵面的操纵效率，对个操纵面进行分组，在不同飞行段选用操纵效率最高的一组操纵面完成飞行控制。
[0005](2)基于加权伪逆方法的控制分配方法：采用加权伪逆方法设计一种从需用力矩到操纵面的映射关系，计算需用操纵面，完成飞行控制。
[0006]基于分段、分组的操纵面分配方法是一种根据经验，人为指定各阶段实际投用操纵面的工程设计策略，虽然可实现直升机的稳定控制，但因其为考虑直升机本身动力学特性和操纵面之间的耦合作用，在某一飞行阶段内仅特定分组的操纵面处于投用状态，无法充分发挥冗余操纵面的控制能力，一方面限制了高速直升机的机动能力，另一方面易导致控制饱和，实际控制效果往往出现“事倍功半”的问题。
[0007]相对分段、分组的操纵面分配方法，基于加权伪逆方法的控制分配方法进一步基于控制力矩到操纵面的线性模型，考虑了操纵面的耦合作用，改善了控制性能。但该控制分配方法无法处理操纵系统的物理约束，计算得到的需用操纵面及其偏转速度可能超出极限值，有可能导致“飞行员诱发振荡”，直接影响飞控系统稳定性；且未实现操纵面的最优分配，无法充分发挥舵面冗余配置的优势，限制了高速直升机性能。

技术实现思路

[0008]专利技术目的：提供一种适用于高速直升机的最优控制分配方法。本专利技术能够提高高速直升机的自主能力，增强飞控系统性能，特别是针对大速度包线飞行中动力学特性变化剧烈的情况，能够合理处理操纵系统物理约束，最大化冗余操纵面的优势，充分发挥直升机性能。
[0009]技术方案：一种适用于高速直升机的最优控制分配方法，包括三个层级：顶层的运动控制算法、核心的最优控制分配算法和底层的作动器控制算法；三者之间的逻辑关系：顶
层运动控制算法根据当前运动状态和目标状态，基于反馈控制方法，计算需用控制力与控制力矩；核心最优控制分配算法考虑操纵系统各项物理约束，基于QP方法，完成需用控制力与控制力矩到冗余操纵面的最优分配；作动器控制算法根据控制分配结果，完成作动器控制指令计算。
[0010]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，顶层的运动控制算法具体设计方法如下：
[0011](1)控制架构设计：依据直升机需完成的目标任务科目，设计控制增稳系统的基础架构；
[0012](2)运动控制器设计：
[0013]a.模型转化：
[0014]将直升机各通道控制力与控制力矩处理为虚拟控制量，从而将配备有冗余操纵面的过驱动系统转化为可直接采用反馈控制思想的非过驱动系统；
[0015]b.确定控制器增益：
[0016]基于PID控制思想，设计闭环运动控制器，并确定不同SCAS架构下的各项控制器增益，包括比例增益、积分增益、微分增益；计算需用控制力与控制力矩，为下一层级的最优控制分配算法提供需用控制力/力矩指令。
[0017]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，所述的增稳系统的基础架构，能够涵盖包括速率响应类型和姿态响应类型在内的控制架构需求。
[0018]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，直升机通道包括：纵向通道、航向通道、横向通道和垂向通道。
[0019]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，所述核心的最优控制分配算法具体设计方法入下：
[0020](1)性能指标设计，具体包括：
[0021]a.需用控制力/力矩与实际控制力矩之间的误差e最小化；
[0022]b.操纵面使用量最小化，包括总距、周期变距、尾推桨距及气动舵面偏转量u；
[0023]c.上述两项设计目标的加权综合：min[e
T
Qe+u
T
Ru]；
[0024](2)约束条件设计，具体包括：
[0025]a.约束条件总结：
[0026]包括各通道操纵面变距幅值约束、变距速率约束、气动舵面偏转幅值约束、舵面偏转速率；
[0027]b.性能指标松弛处理：
[0028]采用松弛因子方法，将二次型性能指标转化为线性指标加不等式约束；
[0029]c.动力学模型线性化：
[0030]为降低在线计算量，将动力学模型线性化，将原非线性等式约束转化为线性等式约束，与上述性能指标和约束条件功能构成QP问题模型；
[0031](3)求解算法设计：
[0032]采用序列二次规划算法完成最优控制分配问题的在线快速求解，最终实现冗余操纵面的在线最优自主分配，并为下一层级的作动器控制算法提供操纵面偏转指令。
[0033]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，操纵面变距包括总距、周期变
距、尾推桨距。
[0034]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，气动舵面包括升降舵、方向舵、副翼。
[0035]前述的适用于高速直升机的最优控制分配方法中，所述底层的作动器控制算法根据操纵面偏转指令，基于PID控制方法，设计作动器闭环控制器，计算作动器控制指令，包括旋翼作动器、尾推桨作动器、升降舵作动器、方向舵作动器、副翼作动器控制指令。
[0036]有益效果：
[0037]本专利技术针对现有高速直升机控制分配方法存在的上述问题，基于二次规划(quadratic programming,QP)和最优控制理论，提出了一种适用于高速直升机的最优控制分配方法，在考虑执行机构物理约束的情况下，以实现冗余操纵面的在线自主投用、充分发挥高速直升机性能为目标，解决现有方法人为分组技术导致的控制饱和问题，并保证操纵面的自主分配满足操纵系统的物理约束，增强飞控系统稳定性，适用于高速直升机的分级控制分配架构。具体地，本专利技术与现有技术相比，具有如下突出特点和显著的优点：
[0038](1)控制分配方法具备串联控制架构
[0039]本专利技术中控制分配问题被等价分解为三个层级，降低了控制分配设计的复杂度，在保证问题等价性的前提下，该串联设计架构有利于将实际物理问题分别匹配至不同层级，一方面大大简化了设计过程，更重要的是实现了不同类别飞行品质与各级飞控系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于高速直升机的最优控制分配方法，其特征在于，包括三个层级：顶层的运动控制算法、核心的最优控制分配算法和底层的作动器控制算法；三者之间的逻辑关系：顶层运动控制算法根据当前运动状态和目标状态，基于反馈控制方法，计算需用控制力与控制力矩；核心最优控制分配算法考虑操纵系统各项物理约束，基于QP方法，完成需用控制力与控制力矩到冗余操纵面的最优分配；作动器控制算法根据控制分配结果，完成作动器控制指令计算。2.根据权利要求1所述的适用于高速直升机的最优控制分配方法，其特征在于，顶层的运动控制算法具体设计方法如下：(1)控制架构设计：依据直升机需完成的目标任务科目，设计控制增稳系统的基础架构；(2)运动控制器设计：a.模型转化：将直升机各通道控制力与控制力矩处理为虚拟控制量，从而将配备有冗余操纵面的过驱动系统转化为可直接采用反馈控制思想的非过驱动系统；b.确定控制器增益：基于PID控制思想，设计闭环运动控制器，并确定不同SCAS架构下的各项控制器增益，包括比例增益、积分增益、微分增益；计算需用控制力与控制力矩，为下一层级的最优控制分配算法提供需用控制力/力矩指令。3.根据权利要求2所述的适用于高速直升机的最优控制分配方法，其特征在于，所述的增稳系统的基础架构，能够涵盖包括速率响应类型和姿态响应类型在内的控制架构需求。4.根据权利要求2所述的适用于高速直升机的最优控制分配方法，其特征在于，直升机通道包括：纵向通道、航向通道、横向通道和垂向通道。5.根据权利要求1所述的适用于高速直升机的最优控制分配方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂文明，梅彬，史青海，吴海涛，张爱宾，张聪辉，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：