带时间约束的STOVL/CTOL平滑切换控制及鲁棒容错研究

The switching control between Short Take-off and Vertical Landing fighter (STOVL) and Conventional Takeoff and Landing (CTOL) in flight has been analyzed to improve system stability and smoothness. The switching controller for STOVL’s switch is based on nonlinear model of fighter and aero-engine, without linear model from the nonlinear, would be designed directly in this project. Different from traditional method that linear model is obtained firstly, the augmented nonlinear model for fighter and propulsion system would be acquired. The augmented nonlinear model based controller has three potential benefits: 1) overcome the shortage of system stability analysis was completed through linear models at multiple equilibrium points, 2) achieve smooth switching control with time constraint, considering the problem of stall and surge of aero-engine, air bleed and power extraction and 3) settle the problem of disturbance attenuation for the nonlinear system directly. The disturbance that contains wind with uncertainty of size and orientation, ground effect, and ejector effect for the STOVL fighter would be regarded as uncertainties of the nonlinear model, and dealt with during the controller design process. The designed controller of the STOVL would be tested through hardware-in-the-loop simulation platform that have already been built.

研究飞机短距起飞/垂直降落模式（STOVL）与常规飞行模式（CTOL）之间的切换控制问题，以确保飞行过程的稳定性和平稳性。本项目研究一种新的无需线性模型、直接由非线性模型设计控制规律的方法，即直接针对非线性模型（飞机、发动机）设计STOVL模式与CTOL切换的控制器。将STOVL战斗机与推进系统非线性模型进行融合，获得飞行/推进增广非线性模型，对增广后的非线性模型进行切换控制器设计。以获得三方面的改进：一是克服稳定性分析需要通过多个平衡点的线性化模型来完成的不足，二是提高切换控制的平滑性，并在满足切换时间约束的同时，考虑发动机失速、喘振、引气及功率抽取等问题，三是在非线性模型框架下研究过渡态抗干扰问题。把大小和方向不定的风、地面效应、及引射作用对飞机的影响作为干扰量归入不确定项，并在切换控制器设计中予以处理。所设计的控制规律将在发动机硬件在回路仿真台进行验证。

短距起飞/垂直降落（STOVL）战斗机凭借低起降要求的独特优势在国防技术中可以发挥独特作用，而推进系统又是STOVL战斗机实现的关键。STOVL推进系统本质上是一种变循环发动机，发动机的两个设计点分别适用于存在较大差异的常规飞行模式（CTOL）和STOVL模式。 因此，如何实现两种模式之间的切换控制又是STOVL推进系统控制的关键。本基金研究完成了飞机和推进系统非线性模型以及STOVL/CTOL模式融合模型，并针对该融合模型设计了带时间约束的切换控制器。基于不确定切换系统，所设计的控制器可实现两种工作模式和不同子区域间的无扰转换和平滑过渡，并适用于STOVL推进系统的多变量控制。通过采用多Lyapunov函数法和平均驻留时间法，大大放宽了传统增益调度策略中的全局稳定性限制。针对CTOL/STOVL模式之间的动态转换过程，采用离合器动态模型进行描述。离合器用于完成升力风扇和主发动机低压轴之间的动力传输，所建离合器模型可以很好地描述两者之间的接合、滑动、锁定和切断过程，从而能较好地反映STOVL推进系统的切换动态。.在发动机旋转部件建模研究中，提出了一般性的高精度风扇/压气机质量流量和效率部件特性经验公式模型。与其他经验模型相比较，所采用的经验公式模型的修正确定系数和平均绝对偏差等指标表现更优。此外，对STOVL战斗机各工作状态和稳定性进行了分析，并将自适应控制器在硬件在回路仿真试验台进行了验证。STOVL战斗机具有在不同模式间切换的特征，模式切换的平稳过渡又是先进战机飞行及作战高可靠性保障的关键所在，本研究的建模方法和切换控制方法可为这种工作模式的平滑转换提供一定的技术支撑。