运输机超低空重装空投纵向反步滑模控制研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252012Vol33No．122301．2312ISSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．Cnhkxb@buaa，edu．CFI文章编号：1000—6893(2012)12—2301—12运输机超低空重装空投纵向反步滑模控制研究杨雨1，陆宇平2—1．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京2100162．南京航空航天大学航天学院，江苏南京210016摘要：分析了超低空重装空投的空投流程，针对超低空重装空投飞行高

2、度低、空投对象质量大的特点，把空投对象的位置和移动速度作为状态变量对货物移动时飞机运动的非线性方程进行了研究，该方程能准确描述出牵引伞的拉力、空投对象在货舱内的实时位置和移动速度对飞机姿态和高度的影响。同时，利用反馈线性化方法对模型进行输入输出线性化，并利用反步法与滑模控制相结合的方法，设计纵向滑模自适应控制器，解决了纵向不可参数化的不匹配不确定控制问题，实现了飞机在超低空重装空投时高度的稳定，保证飞机安全地完成超低空空投任务。关键词：超低空重装空投；飞行控制；反馈线性化；反步控制；滑模控制中图分类号：V249．1文献标识码：A超低空空投是

3、指，飞机在高空经过下滑、拉平到达距离地面1．5～5m的高度进入平飞，在空投点空投对象通过牵引伞的作用被拉出飞机后直接落地，飞机在空投对象出舱后拉起，完成空投任务的过程。不同于普通的空投，超低空空投高度低且空投对象的质量大，所以飞机受低空气流和空投对象在货舱内移动的影响也非常大，因而空投任务十分复杂和危险。但超低空空投的优势也是其他空投方式无法比拟的，例如：空投精度高，可以空投诸如坦克、直升机等重型装备，飞机空投过程无需着陆，受场地限制小，调动武器装备的时效性强等。由于超低空空投对飞机的操稳特性以及传感器等要求极高，所以现在世界上可执行超低空

4、空投任务的机型屈指可数，在这项技术上，美国一直处于领先地位，其C一17[1’43和C一130[53运输机曾在伊拉克战争和海湾战争中多次使用超低空空投的方式对部队进行补给。我国正处于发展运输机的关键阶段，超低空空投技术无论在战斗中运送武器装备，还是在抢险救灾中运送救灾物资和大型设备，都会发挥重大的作用。国内外专门针对超低空空投的控制研究较少，但对货物在货舱内移动时飞机的响应和控制进行过相应的研究。在建模方面，文献1-63和文献[7]是较早的关于这方面研究的文章，这两篇文章也确立了建立飞机空投时数学模型的两种基本方法：分离法和整体法。分离法以空

5、机为参考对象，把货物的移动视为对飞机的扰动来建立模型；整体法把货物与飞机的整体作为参考对象，把货物与飞机之间的作用视为系统的内力来建立模型。这两种方法是研究这类问题最基本的思路，不足的是，最早的研究把货物在货舱内的移动假设为匀速或匀加速运动，显然这种假设并不能反映真实的情况，自然在模型的准确度上也有所欠缺。近年来，国内对模型的研究，如文献[8]和文献收稿日期：2011—12-26：退修日期：2012-02—10；录用日期：2012-03．12；网络出版时间：2012—03．2011：00网络出版地址：WWW．cn¨net／kcms／deta

6、il／11．1929V201203201100008．html基金项目：国家自然科学基金(91016017)；高等学校博士学科点专项科研基金(20093218120035)*通讯作者．Tel．：025—84896521E—mail：yplac@nuaa．edu．crl；

7、用格武IYangY．LuYP．Backsteppingslidingmodecontrolforsuper-lowaltitudeheavycargoairdropfromtransportplane．ActaAero—nauticaetAstronaut[caSinica

8、．2012，33(12)：2301-2312．杨雨，瞄字平．运输祝超低空重装空投纵向反步滑模控制研究。航空学报．2012．33(12)：2301-23T2．航空学报Dec．252012YoI．33No．12[9]，在建模时将分离法与整体法混淆使用，例如：在使用分离法时，应代入运动方程中空机的质量，货物的受力还需要单独分析代人；而在使用整体法时，货物和飞机之间的作用力为系统的内力，并不影响整体受力，模型中的状态量也是货物与飞机整体的状态量，必须在建模之后转化为飞机本体的状态量，这些概念在这两篇文献中都没有得到很好的解释。除此之外，文献[10]

9、和文献[11]专门针对超低空空投货物本体进行了建模，研究了货物的出舱姿态，但飞机的建模和控制都没有涉及。在空投控制方面，文献[12]～文献[-15]分别利用各种控制方法进行了研究