指令非线性约束下大机动飞行控制技术研究

High maneuverability is one of the main characteristics of the current and future advanced fighter plane, and it can improve the survivability and battle effectiveness for fighter plane. However, the nonlinear constraints of amplitude, rate, deadzone and backlash on command always reduce the maneuverability of the fighter plane. Therefore, for a long time, it is the hot and difficult issue in academic domain that how to design the flight control law for the high maneuver flight aircraft with nonlinear constraints for command. This project introduces the adaptive neural control theory into the area of high maneuver flight control, and the key problems of how to develop the nonaffine nonlinear dynamic model for high maneuver flight aircraft, design the nonlinear state observer under the condition of high maneuver and design the high maneuver flight control law under the nonlinear constraints on command will be researched in this project. By considering the external disturbances and uncertain nonlinearities, a more general dynamic model in affine form for high maneuver flight aircraft is developed, and the controllability condition is given without the assumption that nonaffine system functions must be differentiable. The compensation mechanism is used to attenuate the influence of nonlinear constraints on command, and the high maneuver flight control law is designed by combing the nonlinear state observer. The development and prospective achievements of this project have important theoretical and military values in promoting the maneuverability for advanced aircraft in our country.

大机动性是现代和未来先进战机的主要特征之一，大机动性可提高战机的生存力与战斗力。指令幅值、速率、死区或齿隙等非线性约束常常会降低战机的机动性能，如何在指令非线性约束情形下对大机动飞行飞机进行控制律设计一直是学术界关注的焦点与难点。本项目拟将自适应神经网络控制理论引入大机动飞行控制领域，研究非仿射非线性大机动飞行飞机动力学模型的建立、大机动条件下的非线性状态观测器设计以及指令非线性约束下的大机动飞行控制律设计等关键问题。考虑外界扰动与不确定非线性因素的影响，建立具有形式更广泛的非仿射非线性大机动飞行飞机动力学模型，并给出不要求非仿射系统函数可导的可控性条件。引入非线性补偿机制以削弱指令非线性约束的影响，并结合非线性状态观测器设计自适应神经网络大机动飞行控制律。本项目的开展及其预期研究成果，对提升我国先进战机的机动性能具有重大的理论意义与军事应用价值。

大机动性是现代和未来先进战机的主要特征之一，大机动性可提高战机的生存力与战斗力。指令幅值、死区或齿隙等非线性约束常常会降低战机的机动性能。项目针对指令非线性约束情形下的大机动飞行控制设计问题，采用自适应控制理论、动态面技术、智能逼近控制理论研究了强非线性和外部干扰下的指令非线性约束非线性系统控制问题，并将所设计理论应用于大机动飞行控制设计中。解决了含死区约束、齿隙约束、饱和约束等情形下的大机动飞行控制问题。. 项目首先建立了具有更一般形式的非仿射大机动飞行飞机非线性控制模型，并设计了系统函数不可导或不连续情形下的状态观测器，结合该观测器设计了稳定跟踪控制器。非仿射非线性形式实质上包含了指令非线性约束的情形，项目组针对非仿射系统函数不可导且半有界的情形，通过引入不变集控制设计思想，设计了自适应模糊跟踪控制器。针对系统函数完全未知的非仿射非线性系统控制问题，设计一种结构简单、无逼近系统的自适应跟踪控制器，并保证了所有闭环控制系统信号半全局一致有界且跟踪误差渐近趋于0。研究了含死区、齿隙约束的多操纵面飞机控制问题，设计了能克服死区、齿隙约束的自适应跟踪控制器。结合自适应反推、动态面控制技术和不变集控制理论，设计了能克服死区、饱和约束的大机动飞行控制律，有效消除了死区、饱和等指令非线性约束对大机动飞行控制性能的影响。. 项目研究有关成果获军队科技进步二等奖一项；发表学术论文34篇，SCI检索15篇，EI检索5篇，培养博士研究生3名，硕士研究生5名。. 项目的研究建立了非仿射形式的大机动飞行飞机控制模型，设计了不同指令非线性约束下的自适应控制方法，并构造了可消除指令非线性约束影响的大机动飞行控制方法，为战斗机大机动飞行性能的提高奠定良好的基础，为多无人机的大机动飞行协同控制研究提供了方法和技术支持。