PDF《舰载机自动着舰纵向控制系统设计》

第31 卷第

12 期2014 年12 月控制理论与应用Control Theory &

Applications Vol.

31 No.

12 Dec.

2014 舰舰舰载 载 载机 机 机自 自 自动 动 动着 着 着舰 舰 舰纵 纵 纵向 向 向控 控 控制 制 制系 系 系统 统 统设 设 设计 计计DOI: 10.7641/CTA.2014.40682 黄得刚1? , 章卫国1 , 邵山2 , 王志刚2 , 张秀林2 (1. 西北工业大学 自动化学院, 陕西 西安 710129;

2. 沈阳飞机设计研究所, 辽宁 沈阳 110035) 摘要: 航空母舰在大海上以一定速度作匀速直线运动时, 海浪激励舰体作三自由度摆动运动, 同时伴有低空大气 紊流和舰尾流的干扰, 使得舰载机着舰的环境十分恶劣, 这样对自动着舰控制系统提出了极大的挑战. 针对这一特 殊问题, 本文提出一种指令滤波积分反步滑模控制方法, 首先该方法采用指令滤波处理反步的计算膨胀问题, 然后 引入滑模控制来解决外界扰动和匹配不确定性问题. 考虑到降低滑模控制引起的抖动, 本文利用高阶滑模控制的思 想, 在传统的反步方法上增加了一个附加虚拟控制状态方程, 将控制器的最终输出作用在一个积分器上, 这样不仅 可以降低滑模控制的抖动, 还可以利用反步方法处理不匹配不确定性问题. 最后在理论上证明了所提出方法的全局 稳定性, 并通过仿真实验验证了该方法的有效性. 关键词: 舰载机;

飞行控制系统;

指令滤波;

积分反步;

滑模控制;

调节函数 中图分类号: TP273 文献标识码: A Design of automatic control system for longitudinal landing on carrier HUANG De-gang1?, ZHANG Wei-guo1, SHAO Shan2, WANG Zhi-gang2, ZHANG Xiu-lin2 (1. School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi'

an Shaanxi 710129, China;

2. Shenyang Aircraft Design Institute, Shenyang Liaoning 110035, China) Abstract: When a aircraft carrier sails in the sea at a certain speed for uniform linear motion, the sea wave motivates the ship to motion in

3 degree of freedom and accompanying the interference of low altitude atmosphere turbulent ?ow and airwake at the same time, which makes the landing environment of carrier aircraft fair adverse. That proposes a huge challenge for the control system of autolanding. For the special problem, a method of the Command Filter Integral backstepping and Sliding Mode Control is presented in this paper. First, the command ?lter to deal with the problem of calculation expansion in backstepping method is adopted in this method, and then introduces of sliding mode control to handle the problems of matched uncertainty and external disturbance. In order to depress the shake of sliding mode control, using the idea of higher order sliding mode control in this paper, introducing an additional virtual control equation of state to make the outputs of control system work on the integration device, which could not only depress the chattering, but also dispose the matched and unmatched uncertainty. At last, the global stability of the proposed method is proved on the whole and the effectiveness is tested by the simulations. Key words: carrier aircraft;

?ight control system;

command ?lter;

integral backstepping;

sliding mode control;

tuning function

1 引引引言 言言(Introduction) 航空母舰和舰载飞机已有100多年的发展历史, 作 为海上巨型的移动平台, 航空母舰上载有大量舰载机, 可以对敌方目标进行有效打击. 然而, 自从舰载机诞 生以来, 着舰控制一直是重要的研究课题, 而其中的 垂直轨迹高度控制显得尤为重要. 1964年, 美国舰载 机着舰事故的80%是由于轨迹高度的误差所引起的. 随着战争需求的不断提高, 现代航空母舰上普遍 使用全天候自动着舰系统 (automatic carrier landing system, ACLS), 这使得夜间人工着舰面临巨大的危 险. 采用ACLS的主要目的在于解决可见度低的环境 下, 人工着舰存在很大的安全隐患问题, 另外大气扰 动、 甲板运动, 以及飞行员完成艰巨的作战任务后心 神疲惫等因素也会对安全着舰产生极大的影响[1] . 为 了使ACLS有效地抑制舰尾流、 大气扰动和舰体对飞 机着舰轨迹的影响, 国外学者提出了许多改善方法, Subrahmanyam针对美国F/AC18A战斗机的ACLS设 计了一种H∞控制技术[2] , 用一个低阶输出反馈控制 器镇定了17维的数学模型, 同时考虑了扰动最坏情况 下的控制器性能, 仿真结果表明纵向的跟踪误差 在1英尺以内;