倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252017VoI．38No．7SSN1000-6893ON11．1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．eduCR倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化严旭飞，陈仁良”南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016摘要：利用最优控制方法研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程，并得到最优操纵策略，使得由时间、姿态角变化以及驾驶员工作负荷等组成的性能指标达到最小。首先，在基

2、本纵向刚体飞行动力学模型的基础上引入混合操纵方程，并使用杆量位移的一阶导数作为控制量，形成适用于计算倾转旋翼机动态倾转过渡过程的飞行动力学模型，从而能在动态倾转操纵策略优化过程中考虑到操纵系统特性对操纵量变化速度的限制，以及避免操纵量在优化过程中出现跳跃不连续。然后，将倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程转化为非线性动态最优控制问题，建立合理的性能指标，并采用直接转换法和序列二次规划算法进行求解。最后，以XV一15倾转旋翼机为样机，分别计算正向和逆向最优动态倾转过渡过程，并与驾驶员飞行仿真数据进行对比。结果表明：飞

3、行状态量的时间历程与文献吻合地较好，且俯仰姿态角和杆量位移变化更加柔和。最优控制方法可以用于研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程。关键词：最优控制；倾转旋翼机；动态倾转过渡；性能指标；序列二次规划中图分类号：V212．4文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)07—520865—1l倾转旋翼机是一种将直升机和固定翼飞机特点融为一体的新型飞行器，具有广泛的应用前景。倾转旋翼机具有3种飞行模式：直升机模式、固定翼飞机模式以及倾转过渡模式。为了满足直升机模式和固定翼飞机模式的要求，倾转旋翼机同时具有直升

4、机和固定翼2套操纵方式，并随着发动机短舱倾转角的改变而逐渐转换。因此倾转旋翼机在倾转过渡过程中会出现操纵冗余问题，驾驶员操纵会变得十分复杂。除此之外，整个倾转过渡过程还必须保证在短舱倾转角一速度包线内完成，这是因为过低的前飞速度会导致倾转旋翼机机翼失速，过高的前飞速度则会受到旋翼前行桨叶压缩性、后行桨叶失速以及旋翼可用功率的限制。可以看出，倾转旋翼机的倾转过渡过程是极为重要和复杂的飞行过程，如何解决操纵冗余问题，并让倾转旋翼机顺利地完成直升机模式和固定翼飞机模式之间的相互转换，是国内外研究的重要课题。目前关于倾

5、转旋翼机倾转过渡的控制方法主要集中在预先设定操纵方案以解决操纵冗余问题，并设计控制系统来跟踪预定指令(倾转规律、飞行轨迹等)上口。4]，无法得到不同飞行任务下整个倾转过渡过程的最优操纵策略和飞行轨迹[5。9]。事实上，研究倾转旋翼机的最优倾转过渡过程，得到对应的操纵策略和飞行轨迹等，不仅可以解决操纵冗余问题，还能有效降低驾驶员工作负荷、提高倾转过渡效率、稳定机体姿态，有利于倾转过渡系统的设计，因此有必要对倾转旋翼机的最优倾转过渡过程进行研究。倾转旋翼机在倾转过渡过程中的最优动态倾收稿日期：2016—10-19；

6、退修日期：2016—11-,25；录用日期：2017-03—02i网络出版时间：2017-03-2810：43网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V20170328．1043．002．html基金项目：国家自然科学基金(11672128)*通讯作者．E．mail：crlae@nuaa．eduon引用榕武

7、严旭飞，睬仁良．倾转旋翼机动态倾转过渡过程的操纵策略优化!J]．航空学报，2017，38(7)：520865．YANXF，CHENRLControlstrategyopti

8、mizationofdynamicconversionprocedureoftilt-rotoraircran!Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2017．38(7)：520865520865．1航空学报转问题可以描述为：从一类允许的倾转过渡操纵策略中找出1个最优的操纵策略，使倾转旋翼机在该操纵策略作用下由初始状态模式倾转到指定的目标状态模式的同时，其评价运动过程品质优劣的性能指标为最优。在整个倾转过程中，飞行器的运动、操纵策略与性能指标均为时间和空间的函数，因此倾转

9、旋翼机的最优动态倾转问题可以归结为一种含有状态和控制约束的非线性动态最优控制问题。该问题可以采用最优控制方法进行求解。最优控制方法广泛应用于倾转旋翼机发动机失效后轨迹优化的研究，该方法不仅可以解决倾转旋翼机发动机失效后驾驶员的操纵冗余问题[1“13]，还能得到最优操纵策略和飞行轨迹[14‘17I。目前尚未有文献将该方法应用于研究倾转旋翼机的最优动态倾转过渡过程。因此，本文采用最优控制方