華藝欣, 王海平, 曹良秋

(1.中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089;2.中國飛行試驗研究院 科技部, 陜西 西安 710089)

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IFSTA自主著艦控制律仿真研究

華藝欣1, 王海平1, 曹良秋2

(1.中國飛行試驗研究院 飛機所, 陜西 西安 710089;2.中國飛行試驗研究院 科技部, 陜西 西安 710089)

針對艦載機的自動著艦系統(tǒng),以IFSTA原型機K8飛機為研究對象建立了著艦環(huán)境模型,設(shè)計了自動著艦控制律,對在著艦階段的控制作用及影響著艦精度的因素進行了分析和研究,并分別進行了數(shù)值仿真和半實物地面仿真驗證。研究結(jié)果表明,為了使飛機成功完成著艦任務(wù),需滿足海況、大氣擾動、控制系統(tǒng)帶寬頻率的最低要求。

IFSTA; 自動著艦系統(tǒng); 推力補償控制; 半實物地面仿真

0 引言

艦載機著艦過程中,飛行員需要承受極高的身體負荷和心理負擔(dān),因此艦載機技術(shù)發(fā)展的重要方向是研究自動著艦控制技術(shù)。隨著以X-47B飛機為代表的艦載無人機的成功著艦,標(biāo)志著國外在此領(lǐng)域取得了重大技術(shù)進步。對于固定翼飛機而言,進近著艦是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù),需要克服諸多影響因素,例如近艦區(qū)氣流擾動、海況引起的航母甲板運動、飛機本體操縱性與穩(wěn)定性,以及自動著艦控制系統(tǒng)的性能和精度等。

本文以中型固定翼飛機K8為研究對象,建立了包括飛機動力學(xué)模型、自動著艦控制律、航母運動模型及艦尾流模型在內(nèi)的自動著艦仿真環(huán)境,并在鐵鳥臺上進行了半實物仿真研究,分析了各要素單元對飛機實現(xiàn)安全、準(zhǔn)確、迅速著艦的影響,為我國今后開展相關(guān)演示驗證飛行奠定了重要的研究基礎(chǔ)。

1 自動著艦過程

1.1 下滑航跡

與陸基飛機著陸不同,艦載機著艦下滑不經(jīng)過平飄,而是沿一特定軌道進行帶動力勻速直線下滑。假設(shè)飛機距艦尾水平距離約3 000 m時進入雷達截獲窗。飛機進入基準(zhǔn)下滑軌跡的前3 s加入俯仰指令,軌跡示意如圖1所示。其中,ACLS為自動著艦系統(tǒng);DMC為甲板運動補償系統(tǒng);DTP為理想觸艦點。

根據(jù)文獻[1]仿真得到6級海況下基準(zhǔn)下滑軌跡如圖2所示。由仿真結(jié)果可見,由于航母運動的加入,基準(zhǔn)下滑軌跡并不是一條直線,這種起伏是由海況引起的。

圖2 基準(zhǔn)下滑軌跡仿真結(jié)果Fig.2 Simulation result of ideal longitudinal glide slope

飛機在近艦段最大誤差來源是艦尾氣流對飛機的擾動。文獻[2]中當(dāng)飛機進場離艦最后約800 m時,仿真得到總的艦尾流擾動分量uw,vw,ww在時域中的曲線如圖3所示。圖中：uw為水平氣流,順風(fēng)為正;vw為側(cè)向氣流,向右為正;ww為垂直氣流,向下為正。

航母的甲板運動幅值和頻率直接與海況有關(guān)。本文使用不同頻率、不同相位的正弦函數(shù)來模擬航母在海洋中的運動[1-2]。在6級海況下建立航母運動模型,仿真結(jié)果如圖4所示。圖中,θc,φc,ψc分別

為航母在體軸系下的縱搖、橫搖和偏航角;Y為起伏運動幅度。

圖3 艦尾流各分量仿真曲線Fig.3 Simulation results of all components of the airwake

圖4 航母運動姿態(tài)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of all carrier moving attitudes

1.2 自動著艦飛控系統(tǒng)設(shè)計要求

大多數(shù)著艦事故是由于縱向航跡控制不好造成的,所以本文重點研究縱向飛行控制特性[3]。自動著艦縱向控制系統(tǒng)是由自動飛行控制和推力補償系統(tǒng)組成[4],總的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 自動著艦控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure of automatic carrier landing control system

2 自動著艦控制系統(tǒng)設(shè)計與半實物地面仿真

自動著艦控制系統(tǒng)采用經(jīng)典PID控制方法,通過調(diào)節(jié)比例、積分增益(kI,kP)自內(nèi)而外進行不同層級控制系統(tǒng)的設(shè)計。選擇K8飛機作為研究對象,采用俄式坐標(biāo)系下的六自由度方程描述其運動特性。選取基準(zhǔn)運動:進艦速度V=190 km/h, 高度H=250 m, 迎角α=10°。由縱向小擾動方程計算得到縱向狀態(tài)方程4個特征值:

λ1,2=-0.676±1.09i，λ3,4=-0.008 6±0.227i

短周期模態(tài):ωn1=1.28 rad/s,ζn1=0.527

長周期模態(tài):ωn1=0.228 rad/s,ζn1=0.037 8

通過圖5中控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)增穩(wěn)設(shè)計,系統(tǒng)的頻率、阻尼比及主導(dǎo)極點列表如表1所示。由表可知,加增穩(wěn)控制后,系統(tǒng)的頻率和阻尼比都有明顯增大,主導(dǎo)極點更加遠離虛軸,說明飛機的固有特性得到改善。

表1 增穩(wěn)前后系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)

Table 1 Dynamic performance indicator before and after augmentation

系統(tǒng)頻率/rad·s-1阻尼比主導(dǎo)極點原系統(tǒng)1280527λ3，4=-0676±109i增穩(wěn)后系統(tǒng)5140616λ3，4=-3170±405i

著艦過程中艦載機飛行速度變化較小,圖5中外環(huán)的高度控制就相當(dāng)于對航跡角的控制,這與一般的俯仰角指令反饋相比,具有更好的抗擾動能力,對于克服下滑道中艦尾流更加有利[5-6]。自動推力

補償系統(tǒng)作為艦載機自動著艦控制的關(guān)鍵技術(shù),是為解決艦載機低速著艦過程中速度不穩(wěn)定而提出的。采用圖5中速度反饋主要目的是通過油門控制來保持艦載機的空速和迎角。加推力補償控制前后的速度和迎角響應(yīng)如圖6所示。對比可見,加入推力補償控制后,速度和迎角的穩(wěn)定性大大增強[7]。

圖6 加推力補償前后迎角和速度響應(yīng)Fig.6 Responses of angle of attack and velocity before and after adding power compensation control

為了驗證所設(shè)計的自動著艦控制律的正確性,還開展了半實物地面仿真試驗。半實物地面仿真試驗以現(xiàn)有的某試驗臺為基礎(chǔ),增加艦載機關(guān)鍵舵面的控制舵機及其加載系統(tǒng),其余舵面控制采用計算機模擬方式實現(xiàn),運行環(huán)境如圖7所示。半實物仿真得到的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 地面試驗臺運行環(huán)境Fig.7 Operating environment of ground test bed

圖8 半實物地面仿真結(jié)果Fig.8 Results of semi-physical ground simulation

由以上仿真結(jié)果可見,數(shù)值仿真的著艦誤差約為2.5 m,半實物仿真的著艦誤差約為3 m,均小于ACLS著艦誤差范圍±6.1 m。此外,半實物仿真環(huán)境下飛機實際下滑軌跡與理想下滑軌跡的高度誤差與Matlab數(shù)值仿真結(jié)果基本一致。這說明,盡管有真實舵機和加載系統(tǒng)的加入,存在時間延遲和采集誤差,仍然認為所設(shè)計的控制律在半實物地面試驗臺環(huán)境下的控制效果較好。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 海況影響

參考航母運動方程求解過程(略),仿真求解2級、6級和9級海況下自動著艦觸艦點的縱向水平偏差分別為:1.5 m,2.5 m和6.5 m。

根據(jù)著艦點縱向理想水平偏差±6 m以內(nèi)的要求可知,本文設(shè)計的控制律對于2級海況和6級海況來說是可以安全、準(zhǔn)確地著艦。

3.2 不同控制律帶寬頻率與控制精度的關(guān)系

帶寬準(zhǔn)則作為艦載機飛行品質(zhì)判據(jù)的基礎(chǔ)[8-9],在上述半實物著艦環(huán)境模型下，本文進一步設(shè)計了3套控制律，分別研究帶寬頻率與控制精度之間的關(guān)系。Bode圖如圖9所示。

圖9 不同增益控制律下的Bode圖對比Fig.9 Bode plot comparison at different control laws

在同等海況和艦尾流強度下，將3種控制律的下滑軌跡(yda,ydb,ydc)與理想下滑軌跡(Hc)進行了比較(見圖10)，并根據(jù)上述帶寬頻率定義對3種控制律帶寬進行了計算，計算結(jié)果如表2所示。

圖10 不同控制律下滑軌跡與理想下滑軌跡Fig.10 Actual and ideal glide slope at different control laws

Table 2 Results of control accuracy and band frequency

控制律超調(diào)量/%著艦精度/m帶寬頻率/rad·s-1a32142100b21417112c1073126

綜上可知,在同等海況和艦尾流強度下,帶寬頻率越高的控制系統(tǒng)跟蹤精度越好,根據(jù)帶寬頻率和著艦精度還可以選擇一套最優(yōu)的自動著艦控制律。

4 結(jié)論

本文以自動著艦控制理論為基礎(chǔ),分別建立了飛機、航母和艦尾流模型。以理想下滑軌跡為基準(zhǔn)進行控制律設(shè)計,分析影響著艦精度的因素,并分別進行了數(shù)值仿真和半實物地面仿真驗證。得出以下結(jié)論:(1)半實物地面仿真的著艦誤差為3 m,由于加入了真實的舵機及其加載系統(tǒng),著艦誤差仍滿足要求，這說明設(shè)計的自動著艦控制系統(tǒng)具有較強的工程實際應(yīng)用價值;(2)自動著艦控制律是完成精確定點著艦的關(guān)鍵因素,自動著艦控制系統(tǒng)必須達到12.6 rad/s的帶寬頻率,才可以滿足理想著艦精度的安全要求;(3)海況影響航母的六自由度運動,直接增加了著艦難度。研究表明,6級以下海況均可滿足理想著艦的安全要求。

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(編輯：方春玲)

Research of automatic carrier landing control law simulation by IFSTA

HUA Yi-xin1, WANG Hai-ping1, CAO Liang-qiu2

(1.Aircraft Flight Test Technology Institute, CFTE, Xi’an 710089, China; 2.Ministry of Science and Technology, CFTE, Xi’an 710089, China)

In this paper, automatic carrier landing system of carrier-based aircraft is introduced. Model of landing circumstance is established which is based on the prototype model of IFSTA-K8, and auto landing control law is designed. Control effect during landing process and factors which influence landing precision are studied. At last, numerical simulation and semi-physical ground simulation are both performed. These results demonstrate that in order to land on board successfully, the minimum requirements of sea condition, atmospheric disturbance and control system band frequency should be met.

IFSTA; automatic carrier landing system; power compensation control; semi-physical ground simulation

2016-03-15;

2016-08-31;

時間:2016-09-22 14:55

華藝欣(1988-)，女，陜西寶雞人，碩士研究生，研究方向為飛行控制與飛行仿真。

V249.1

A

1002-0853(2016)06-0030-04