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        縱向增穩(wěn)系統(tǒng)控制律設(shè)計及仿真

        2014-12-09 16:46:07陳微晏傳銀張彬宋娟妮
        無線互聯(lián)科技 2014年11期
        關(guān)鍵詞:仿真

        陳微 晏傳銀 張彬 宋娟妮

        摘 要:以某型機為例通過動力學(xué)分析建立了縱向小擾動數(shù)學(xué)模型,采用經(jīng)典控制理論對縱向增穩(wěn)系統(tǒng)控制律進行設(shè)計,最后通過MATLAB/SIMULINK軟件對所設(shè)計的控制律進行仿真,從而驗證增穩(wěn)系統(tǒng)的有效性。

        關(guān)鍵詞:增穩(wěn)系統(tǒng);仿真;控制律

        飛機在中空低速時具有足夠的動穩(wěn)定性,但在高空高速飛行時產(chǎn)生既顯著又不易衰減的短周期振蕩,這種振蕩現(xiàn)象不僅當飛機平飛情況下受擾時產(chǎn)生,而且在操縱時也會產(chǎn)生,這樣必然會影響駕駛員操縱,甚至無法操縱飛機,并會危及人機安全,為了解決這個問題。在縱向操縱中引進增穩(wěn)系統(tǒng),是為了提高飛機的縱向靜穩(wěn)定性,同時增加了縱向桿力過載梯度。本文以某型機為例,建立飛機縱向運動數(shù)學(xué)模型,并在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進行仿真驗證。

        1 飛機縱向動力學(xué)模型的建立

        1.1 縱向小擾動動力學(xué)模型

        通過動力學(xué)分析,建立飛機縱向小擾動運動方程為:

        1.2 設(shè)計模型的選擇

        選擇飛機在高空巡航狀態(tài)作為飛機增穩(wěn)系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計狀態(tài)。根據(jù)氣動數(shù)據(jù),選擇以下設(shè)計狀態(tài):V=158m/s,H=8000m,m=58t,中重心,襟翼0°。根據(jù)飛行動力學(xué),得到飛機的小擾動線性模型為:

        在MATLAB環(huán)境下計算得到飛機縱向短周期運動傳遞函數(shù)為:

        2 增穩(wěn)控制回路分析與設(shè)計

        2.1 增穩(wěn)系統(tǒng)控制回路設(shè)計及仿真

        2.2 俯仰角速度控制回路設(shè)計

        ⑴Kq的確定。俯仰角速度控制回路的控制律為:

        假設(shè)助力器傳遞系數(shù)為1,當 時,俯仰角速度控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

        由上式可作出其根軌跡圖,取 ,則俯仰角速度回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

        該回路的單位階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值為0.21,相對于原開環(huán)系統(tǒng)回路的靜增益減小。從響應(yīng)曲線上看,系統(tǒng)響應(yīng)變得較為平緩,但響應(yīng)速度變慢。因此在改善動態(tài)穩(wěn)定性的同時,降低了其操縱性。

        ⑵清洗網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)的確定。根據(jù)自控原理中廣義根軌跡法可求出τ1。將帶有清洗網(wǎng)絡(luò)的俯仰角速度控制回路經(jīng)過等效開環(huán)傳函變換將τ1分離出來,得到等效開環(huán)傳函為:

        其中 為無清洗網(wǎng)絡(luò)時飛機-阻尼系統(tǒng)閉環(huán)傳函,即式(2-2)。

        將 和式(2-2)代入(2-3),整理得:

        根據(jù)上式可作出 時的根軌跡圖,取 即τ1=0.46時,此時阻尼比為 ,無阻尼頻率為ωn=9.68(rad/s)。

        2.3 以法向過載作為反饋的控制回路設(shè)計

        ⑴的確定。暫不考慮清洗網(wǎng)絡(luò),即當 時,法向過載反饋控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

        根據(jù)上式可作出其根軌跡圖,取 時,此時阻尼比為 ,無阻尼頻率為 ,閉環(huán)極點為:S1,2=-0.583±2.43j,S3=-15.17,因此可以看出當引入法向過載作為反饋后,無阻尼固有頻率得到了提高,但此時阻尼比減小了,顯然減小短周期阻尼是不希望的。為此通過改變系統(tǒng)內(nèi)回路的速率陀螺反饋強度來彌補阻尼下降。

        ⑵清洗網(wǎng)絡(luò)時間常數(shù)τ2的確定。根據(jù)已定的τ1值和同類飛機來選定τ2值,常選 ,在此取τ2=1。

        3 控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果

        由仿真曲線可以看出,有增穩(wěn)系統(tǒng)的飛機超調(diào)量明顯減小,振蕩次數(shù)減少,使飛機的穩(wěn)定性明顯增加。

        通過對某型機增穩(wěn)系統(tǒng)的初步仿真可以看出增穩(wěn)系統(tǒng)能改變等效飛機特征根在復(fù)域平面中的分布位置,改善了飛機的穩(wěn)定性,但同時也使相應(yīng)的操縱系統(tǒng)操縱品質(zhì)變壞。

        [參考文獻]

        [1]《飛機飛行操縱系統(tǒng)》等.

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