垂直起降战术飞机非线性预测控制仿真研究

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1、第30卷第12期计算机仿真2013年12月文章编号：1006—9348(2013)12一0098—04垂直起降战术飞机非线性预测控制仿真研究庞瑞，史忠科(西北工业大学自动化学院，西安陕西710129)摘要：研究飞机垂直起降优化控制问题，飞机多采用辅助矢量推力和升力风扇系统，推力系统包含主推进引擎，升力风扇，两侧横滚喷嘴等。通过分析推力系统模型，建立了纵向运动学和动力学方程。同时设计了非线性模型预测控制器对纵向姿态进行控制。垂直起降飞机控制的难点在于其存在非线性推力矢量输入，传统的基于小扰动线性化方法的控制器设计并不适用。提出用非线性预测控制器通过利普希兹有界

2、函数限定非线性项，并获得利普希兹系数，通过优化目标函数的上界，并将稳定性保证条件和线性约束转化为一系列的线性矩阵不等式(LMI)形式，从而有效地对含非线性输入的垂直起降飞机进行控制。最后通过对纵向飞行状态和控制进行仿真，验证了控制器设计的有效性。关键词：升力风扇；垂直起降；预测控制；线性矩阵不等式中图分类号：V448．25+3文献标识码：BResearchonNon—LinearPredictiveControlMethod耐thApplicationinVerticalTal【ing—offandLandingAircraftPANGRui．SHIZhon

3、g—ke(SchoolofAutomation，NorthwestemPolytechnicalUniversity，xi’anShaIl】【i，710129，China)ABS’IRACT：Inthepaper，lon舀tudinalmotionanddyn锄icequationswereobtainedandnon—linearmodelpredic—tivecontrollerw踮designedtocontrolitspitchattitude．ThedimcultiesexistindealingwitIltllenoIllinearVectore

4、dthmstinputsandthetraditionalperturba土ionline面zationmethodisnotsuitable．ThepmposedconⅡnUerusesLips—chitzfunctiontocoIIstminnonlineartems，aIldtllenacquiresIJipschitzconstallts．WitIltllemlrposeofachievingas—ymptoticalstabilityalldsatisfylinearconstrajnts，thecontrolleradopts“nearMatri

5、xInequaIity(LMI)tooptilIlizetheupperboundoftheobjectivefunction．卟ismethodsuccessfullyachieVesthecontmllabilityoftlleVerticaltaking—offandlandingaircrafts．SimulationresllltsprovetheeH．ectivenessoftheconⅡDllerproposedinthepaper．量口巳YWORDS：Liftf{m；Verticaltaking—o仃andlanding；Predictive

6、contml；LMI1引言垂直起降飞机的发展历程包括二十世纪五十年代美国空军研制的xFv一1和xFY—l，x13等实验飞机，最早的设想是增加推重比使其超过1，这样可以使尾立式的飞机达到垂直起降的效果。受当时技术限制，这样的飞机在航程和载重性能上极其有限，接着航空科研人员研发了MirageIII—V和xV一4型垂直起降飞机，该型设计采用了提升引擎和常规引擎同时安装在机身上的布局，这种布局能够实现垂直起降，但在垂直起降阶段只有提升引擎工作，而在巡航飞行阶段只有常规引擎工作，这样发动机占机身重量过多，但利用基金项目：国家自然科学基金重点项目(61134004)收稿

7、日期：2013一07—25修回日期：2013一08—11—98一效率却各只有一部分⋯。垂直起降的第三个发展阶段，即研制可旋转喷气发动机或旋翼的垂直起降飞机，例如早期德国的VJl01和后期的v22鱼鹰。这类型飞机的特点是当发动机呈水平状态时与常规飞机布局并无两样，但喷气引擎或旋翼可在旋转机械机构的操纵下由水平状态旋转至垂直状态，这类飞机的缺陷是引擎旋转机械机构较复杂，同时引擎较庞大，在一定程度上影响飞机气动性能。因此在最新一代垂直起降飞机设计中，诸如AV一8和F35B，均采用不旋转引擎而旋转喷气喷口的方式，产生矢量推力，从而能够达到提供垂直升力的目的口卜L31

8、。对现代先进垂直起降战术飞机进行高精度控制一直是控制