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基于奇异值方法的推力矢量/气动舵飞机复合控制律参数优化方法

阮仕龙 董哲 孙尧 曲晓雷 霍少泽

盛 蔚, 谭丽伟. MGNC系统实时快速组合导航新算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2009, 35(6): 657-660.
引用本文: 阮仕龙,董哲,孙尧,等. 基于奇异值方法的推力矢量/气动舵飞机复合控制律参数优化方法[J]. 北京航空航天大学学报,2025,51(4):1332-1341 doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0227
Sheng Wei, Tan Liwei. Fast data fusion method for MGNC integrated navigation system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2009, 35(6): 657-660. (in Chinese)
Citation: RUAN S L,DONG Z,SUN Y,et al. Parameter optimization method of thrust vector/pneumatic rudder composite control law for aircraft based on singular value method[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2025,51(4):1332-1341 (in Chinese) doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0227

基于奇异值方法的推力矢量/气动舵飞机复合控制律参数优化方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0227
基金项目: 国家自然科学基金重点项目(U2141229);基础加强项目(2019-JCJQ-DA-001-131)
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: zhedong@mail.dlut.edu.cn

  • 中图分类号: V249.1

Parameter optimization method of thrust vector/pneumatic rudder composite control law for aircraft based on singular value method

Funds: National Natural Science Foundation of China (U2141229); National Basic Research Priorities Program of China (2019-JCJQ-DA-001-131)
More Information
  • 摘要:

    推力矢量/气动舵布局的先进飞机存在显著的控制耦合问题,传统的单回路控制参数设计方法在该场景下无法兼顾多控制回路的性能。因此提出一种基于回差矩阵奇异值的控制律参数优化方法,利用时域控制性能指标确定控制参数优化区间,在此基础上用奇异值方法衡量多输入多输出(MIMO)系统的稳定裕度,并建立相应的最优目标函数,从而对控制器参数寻优。采用数值仿真验证了该方法的可行性,结果显示所设计的控制参数优化算法相较于传统单回路控制参数设计方法具有更好的时域控制性能与更大的系统稳定裕度。

     

  • 图 1  推力矢量偏转坐标示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of thrust vector deflection coordinates

    图 2  MIMO系统控制参数寻优方法

    Figure 2.  Optimization method for MIMO system control parameters

    图 3  SQP算法流程图

    Figure 3.  SQP algorithm flowchart

    图 4  不同回路控制器参数仿真包线

    Figure 4.  Simulation envelope of different loop controller parameters

    图 5  不同组控制参数时的最小奇异值

    Figure 5.  Minimum singular value for different sets of control parameters

    图 6  速度环阶跃响应曲线及控制性能

    Figure 6.  Speed loop step response curve and control performance

    图 7  俯仰角速度环阶跃响应曲线及控制性能

    Figure 7.  Step response curve and control performance of pitch angular velocity loop

    图 8  速度环对比曲线

    Figure 8.  Speed loop comparison curve

    图 9  俯仰角速度环对比曲线

    Figure 9.  Comparison curve of pitch angular velocity loop

    图 10  单输入控制设计仿真和多回路控制设计仿真速度对比结果

    Figure 10.  Comparison of speed results between single input control design simulation and multi loop control design simulation

    图 11  单输入控制设计仿真和多回路控制设计仿真俯仰角速度对比结果

    Figure 11.  Comparison results of pitch angular velocity between single input control design simulation and multi loop control design simulation

    图 12  随机干扰信号曲线

    Figure 12.  Random interference signal curve

    图 13  加入干扰后速度对比曲线

    Figure 13.  Speed comparison curve after adding interference

    图 14  加入干扰后俯仰角速度环对比曲线

    Figure 14.  Comparison curve of pitch angular velocity loop after adding interference

    表  1  不同传递函数的分子系数

    Table  1.   Molecular coefficients of different transfer functions

    传递函数 K4 K3 K2 K1 K0
    GVδth 6.045 9.012 28.49 −0.033 0.019
    Gωzδth −0.016 −0.017 0.013 −3.4×10−5 −4.95×10−20
    GVδe 9.942 13.37 −52.61 22.85 0.024
    Gωzδe −5.280 −2.329 −0.077 −5.196×10−5 9.712×10−18
    GVδtz 0.083 −0.115 34.26 −9.072 −7.493×10−4
    Gωzδtz 1.827 0.902 0.035 1.959×10−7 −1.257×10−20
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    表  2  回路控制性能指标内容及要求

    Table  2.   Content and requirements of loop control performance indicators

    指标要求 阶跃信号 调节时间/s 超调量/% 状态误差/%
    速度回路 100 m/s 5 10 1
    姿态回路 0.1 rad/s 5 10 5
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    表  3  控制参数优化区间与步长

    Table  3.   Optimization interval and step size of control parameters

    优化区间
    及步长
    速度回路 姿态回路
    Kp Ki K I
    下限 2×106 2×105 2×106 1×102
    上限 8×106 3×105 8×106 8×102
    步长 106 104 106 102
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    表  4  最优控制器参数下的多输入多输出系统裕度

    Table  4.   MIMO system margin under optimal controller parameters

    幅值裕度/dB 相角裕度/(°)
    6.2342 63.3222
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    表  5  不同分配比例情况下的指标结果

    Table  5.   Indicator results under different allocation ratios

    比例情况 奇异值优化结果 幅值裕度/dB 相角裕度/(°)
    5∶5 1.0498 6.2342 63.3222
    4∶6 1.0540 6.2520 63.6064
    3∶7 1.0585 6.2708 63.9063
    2∶8 1.0624 6.2875 64.1744
    1∶9 1.0668 6.3060 64.4715
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    表  6  两种控制参数设计方法稳定裕度对比结果

    Table  6.   Comparison results of stability margin between two control parameter design methods

    控制参数设计方法 奇异值 幅值裕度/dB 相角裕度/(°)
    单输入 0.8272 5.2355 48.8593
    基于奇异值的多回路 1.0498 6.2342 63.3222
     注:奇异值、幅值裕度、相角裕度的提升幅度分别为26.9%,19.1%,29.6%。
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-08
  • 录用日期:  2023-07-16
  • 网络出版日期:  2023-09-08
  • 整期出版日期:  2025-04-30

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