超机动飞机非线性建模仿真与操纵特性分析

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1、第27卷第8期计算机仿真2010年8月文章编号：1006—9348(2010)08—0018—04超机动飞机非线性建模仿真与操纵特性分析谢蓉，王新民，李俨(西北工业大学自动化学院，陕西西安710072)摘要：研究建立较为准确的超机动飞机非线性模型，对新型战斗机的研发具有重要意义。在分析超机动飞机非线性特性的基础上，建．它了带推力矢量的超机动飞机非线性动态模型，着重分析了气动力、气动力矩以及发动机的建模过程。为改善系统的动态特性，采用动态逆结合PID的方法设计了超机动飞机在大迎角机动下的控制律，并进行了“眼睛蛇”机动仿真。根据“眼镜蛇”机动的

2、仿真结果，分析了超机动飞机在大迎角飞行时操纵特性，证明了所建立模型的合理性与有效性。关键词：飞行控制；超机动；非线性建模；动态逆；操纵特性中图分类号：TP273．5文献标识码：BNonlinearModelingSimulationandControlCharacteristicAnalysisforaSuper—-maneuverableAircraftXIERong，WANGXin—min．LIYah(CollegeofAutomation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’anShanxi7

3、10129，China)ABSTRACT：Buildinganaccuratemodelhasimportantsignificancetothestudyofthenewfighterairplane．Onthebasisofanalyzingthenonlinearcharacteristic，thenonlineardynamicmodelofasuper—manenverableaircraftwiththrustvectorisestablished，andthemodelingprocessoftheaerodynamicfor

4、ces，aerodynamicmomentsandtheen-sineisemphaticallyanalyzed．ThecontrolmethodofcombiningdynamicinversioncontrolwithPIDcontrolispro-posedforsuper—manuverableflight，andthe“Cobra”maneuverissimulated．Accordingtothesimulationresults，thecontrolcharacteristicsofthesuper—maneuverable

5、flightundertheconditionofhiighangleofattackareanalyzed，andtherationalityandvalidityofthemodelbuildingareproved．KEYWORDS：Flightcontrol；Super—maneuverable；Nonlinearmodeling；Dynamicin．version；Controlcharacteristic1引言超机动飞机是指具备大迎角过失速机动能力的飞机。超机动能力能够极大地提高战斗机的作战效能，是现代战斗机的一个主要特征⋯。建

6、立较为准确的超机动飞机动态模型，以及在此基础上设计有效的飞行控制系统，对新型战斗机的设计和研究具有重要的意义。当飞机进行过失速机动时，迎角和角速率相当大，气动力和气动力矩均进入非线性范围，飞机的动力学特性呈现出强耦合、强非线性的特点，因此，用小扰动线性化方法建立的飞机模型将不再适用悼1，必须建立飞机的六自由度十二状态非线性动态模型。本文详细介绍了超机动飞机的非线性建模方法，着重分析了气动力、气动力矩以及发动机的建模过程。在此基础收稿日期；2009—06一03一18一上，应用动态逆结合PID的方法设计了超机动战斗机在大迎角条件下的控制律，并对

7、超机动飞机的操纵特性进行了详细的分析说明。2飞机动态建模2．1飞机运动方程本文以具有如下气动布局的歼击机作为研究对象进行建模。该歼击机具有水平鸭翼、三角翼和单垂尾，并安装有2台双轴涡轮喷气发动机，尾喷管安装具有反推力能力的俯仰／偏航矢量喷管。该飞机的运动方程可以用如文献[3，4]中所示的12个一阶非线性微分方程来描述。在这12个一阶非线性方程中，t、t、t表示发动机推力r在三个坐标轴上的分量；石、Y、h分别表示水平距离、侧向距离、高度；I，诺、y分别表示总的速度、航迹偏航角、航迹角；乜胡4z分别表示迎角、侧滑角、航迹滚转角；P、扒，分别表示

8、滚转角速率、俯仰角速率、偏航角速率；￡、D、y分别表示总的气动升力、气动阻力、气动侧力；f、m、n分别表示总的滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩，它们分别由两部分构成，一部分是气动力矩