一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法
2023-06-17 17:54:31 3
一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法
【專利摘要】一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法，本發明基於氣動資料庫，將再入飛行器配平舵偏角計算問題轉化非線性方程的求解問題，基於飛行器控制通道等效虛擬舵偏角概念，建立了再入飛行器關於虛擬舵偏角的非線性方程，採用泰勒展開近似得到了配平計算的線性方程組，最終通過離散牛頓迭代算法和分級配平策略實現了多舵面再入飛行器配平舵偏角的計算。本發明應用了舵面功能組合方法和分級配平策略，發明方法適於多舵面再入飛行器多通道同時進行配平計算，且可考慮舵面交聯耦合影響。本發明方法是一種針對多舵面再入飛行器的快速、高精度、通用、適於多通道同時配平的計算方法，其也可應用於一般飛機和常規飛行器。
【專利說明】一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法，屬於再入飛行 器飛行控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 配平特性是飛行器重要的動力學特性，在飛行控制系統設計過程中，需要對飛行 器模型進行小擾動線性化，首先需要求取平衡狀態。配平是根據飛行器的動力學模型和一 定的約束條件，求解得到平衡時飛行器的各狀態變量、舵面偏轉角等參數。傳統的配平方 法，往往忽略了舵面的交聯耦合，存在配平精度低、不適於對多通道同時配平、配平計算復 雜、非線性模型的硬性約束難以加入等問題。
[0003] 再入飛行器的氣動特性往往是馬赫數、攻角、側滑角、舵偏角和飛行高度的多維非 線性函數，其配平問題本質是複雜的非線性方程組的求解問題。對於多舵面再入飛行器，舵 面交聯耦合往往比較嚴重，因此其配平舵偏角計算更加複雜。針對傳統配平方法存在的配 平精度低、配平計算複雜、不適於多舵面多通道、不適於考慮偏差等因素影響的問題，需要 研究一種更高效和通用的配平計算方法。
【發明內容】
[0004] 本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供一種適用於多舵面再入飛 行器的配平舵偏角確定方法，適用於多舵面多通道、考慮偏差等因素影響的情況。
[0005] 本發明的技術方案是：一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法，步 驟如下：
[0006] 1)將飛行器各舵面按功能組合為具備等效功能的虛擬舵偏角，用於俯仰、偏航和 滾轉三個通道的控制；
[0007] 2)建立再入飛行器關於步驟1)虛擬舵偏角配平計算的非線性方程，採用泰勒展 開近似將非線性方程轉化為線性方程組；
[0008] 3)根據步驟2)的線性方程組計算得到虛擬舵偏角配平計算的迭代公式；
[0009] 4)根據飛行器各舵面的控制效率，確定各個通道配平的虛擬舵偏角優先級，即各 通道控制效率高的虛擬舵偏角優先級高，各通道控制效率低的虛擬舵偏角優先級低；
[0010] 5)設置虛擬舵偏角配平計算狀態、虛擬舵偏角配平初值和離散Newton迭代算法 的狀態值；所述的虛擬舵偏角配平計算狀態包括馬赫數、飛行高度、攻角、側滑角；所述的 離散Newton迭代算法的狀態值包括迭代精度、最大迭代次數和迭代步長；
[0011] 6)基於離散Newton迭代算法，同時對飛行器俯仰、偏航和滾轉三個通道進行配 平，配平計算過程中各通道次優先級及以下虛擬舵偏角均先固定為零舵偏狀態，採用最高 優先級虛擬舵偏角首先進行Newton迭代計算；若各通道採用最高優先級舵偏完成配平，則 配平計算結束，計算的結果為各通道最高優先級虛擬舵偏角配平結果，次優先級虛擬舵偏 角的配平為零；若某一通道最高優先級虛擬舵偏角無法完成配平，則設置該通道最高優先 級虛擬舵偏角為最大舵偏角，採用下一優先級虛擬舵偏角進行Newton迭代求解，直至完成 所有通道的配平，得到各虛擬舵偏角的配平舵偏角。
[0012] 本發明與現有技術相比的有益效果是：
[0013] (1)本發明方法基於氣動資料庫，將再入飛行器配平舵偏角確定問題轉化非線性 方程的求解問題，採用泰勒展開近似將非線性方程轉化為線性方程組，針對線性方程組利 用離散Newton迭代算法進行再入飛行器配平舵偏角的計算。與傳統方法相比，本發明方法 計算快，配平精度較高，一般僅需1?3步迭代即可計算出配平結果。
[0014] (2)本發明方法適於多通道同時進行配平計算，可考慮舵面交聯耦合影響。本發明 方法針對再入飛行器多舵面的特點，基於舵偏功能組合方法和分級配平策略，將各舵面按 功能組合為具備等效功能的虛擬舵偏角，並劃分優先級，首先採用最高優級虛擬舵偏角進 行配平，在單獨採用最高優級虛擬舵偏角無法完成配平計算時，將最高優級舵面固定為最 大舵偏角，採用下一優先級虛擬舵偏角進行配平計算，簡化了多舵面飛行器的配平計算。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明方法計算流程圖；
[0016] 圖2為本發明方法適用的某多舵面再入飛行器。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行進一步的詳細描述。
[0018] 如圖1所示為本發明所述的一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方 法。
[0019] 本發明具體步驟如下：
[0020] (1)針對飛行器氣動舵面配置特點和控制特性，將飛行器各舵面按功能組合為俯 仰、偏航和滾轉三個控制通道具備等效功能的虛擬舵偏角。
[0021] 如圖2所示，飛行器有7個控制舵面，四個襟翼（上下表面，左右兩側各兩個），一 個全動垂尾和左右V尾，其中四個體襟翼主要提供俯仰控制力矩，也可差動提供滾動控制； 全動垂尾主要提供偏航控制力矩；左右V尾可提供俯仰控制和偏航控制。飛行器各舵面的 上述舵面配置特點和控制特性可等效為四個虛擬舵偏，即虛擬襟翼舵偏sBF、虛擬升降舵偏 虛擬方向舵偏L和虛擬滾轉舵偏sa，其中襟翼和升降舵提供俯仰通道控制，方向舵 提供偏航通道控制，滾轉舵提供滾動通道控制。
[0022] (2)建立再入飛行器關於步驟（1)虛擬舵偏角的配平計算非線性方程，採用泰勒 展開近似將非線性方程轉化為線性方程組。
[0023] 根據力矩平衡，再入飛行器關於虛擬舵偏角配平計算的非線性方程為
【權利要求】
1. 一種適用於多舵面再入飛行器的配平舵偏角確定方法，其特徵在於步驟如下： 1) 將飛行器各舵面按功能組合為具備等效功能的虛擬舵偏角，用於俯仰、偏航和滾轉 三個通道的控制； 2) 建立再入飛行器關於步驟1)虛擬舵偏角配平計算的非線性方程，採用泰勒展開近 似將非線性方程轉化為線性方程組； 3) 根據步驟2)的線性方程組計算得到虛擬舵偏角配平計算的迭代公式； 4) 根據飛行器各舵面的控制效率，確定各個通道配平的虛擬舵偏角優先級，即各通道 控制效率高的虛擬舵偏角優先級高，各通道控制效率低的虛擬舵偏角優先級低； 5) 設置虛擬舵偏角配平計算狀態、虛擬舵偏角配平初值和離散Newton迭代算法的狀 態值；所述的虛擬舵偏角配平計算狀態包括馬赫數、飛行高度、攻角、側滑角；所述的離散 Newton迭代算法的狀態值包括迭代精度、最大迭代次數和迭代步長； 6) 基於離散Newton迭代算法，同時對飛行器俯仰、偏航和滾轉三個通道進行配平，配 平計算過程中各通道次優先級及以下虛擬舵偏角均先固定為零舵偏狀態，採用最高優先級 虛擬舵偏角首先進行Newton迭代計算；若各通道採用最高優先級舵偏完成配平，則配平計 算結束，計算的結果為各通道最高優先級虛擬舵偏角配平結果，次優先級虛擬舵偏角的配 平為零；若某一通道最高優先級虛擬舵偏角無法完成配平，則設置該通道最高優先級虛擬 舵偏角為最大舵偏角，採用下一優先級虛擬舵偏角進行Newton迭代求解，直至完成所有通 道的配平，得到各虛擬舵偏角的配平舵偏角。
【文檔編號】B64F5/00GK104401503SQ201410572989
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】黃喜元, 孫光, 張月玲, 李永遠, 朱如意, 方磊, 滿益明, 曹曉瑞, 鄭宏濤, 曹霄輝 申請人:中國運載火箭技術研究院