一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法技術

本發明專利技術公開一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，解決當前直升機機動飛行品質設計過程中，基于數值模擬方法進行機動飛行品質等級評估的技術難題，建立一套高效的且具有統一形式的機動科目數學描述方法以及駕駛員操縱量求解方法，并在此基礎上實現直升機機動飛行品質的數值評估。本發明專利技術基于固定的機動科目數學描述參數向量建立了統一的機動科目數學描述形式，克服了傳統方法依賴固定飛行軌跡的缺陷，實現了各類型機動科目的數學描述。基于反饋控制理論建立了高效的駕駛員操縱量求解方法，無需進行數值優化，大大提高了求解過程的效率和數值穩定性。

An efficient method for evaluating the quality grade of helicopter maneuvering flight

The invention discloses a method for evaluating the efficiency of helicopter maneuver flight quality, solve the helicopter maneuver flight quality in the design process, numerical simulation method of technical problems of maneuvering flight quality evaluation based on the establishment of a set of methods for calculating, efficient and maneuver mathematical form has described methods and pilot operation, realize the numerical evaluation the helicopter maneuver flight quality and on the basis of. The present invention maneuvers mathematical description of fixed parameter vector was established based on the unified mathematical form of maneuver, to overcome the traditional method depends on the defects of the fixed trajectory, describes the various types of maneuvers in mathematics. Based on the feedback control theory, an efficient method for solving the problem of driver control is established, which does not require numerical optimization, and greatly improves the efficiency and numerical stability of the solution process.

【技術實現步驟摘要】
一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法
：本專利技術屬于直升機飛行動力學與飛行控制
，具體涉及一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，可直接應用于直升機機動飛行品質的評估與設計。
技術介紹
：直升機具有懸停、垂直起降和低速機動能力，成為不可或缺的重要飛行器。然而，直升機固有的強耦合和不穩定性也導致了直升機飛行品質較差，操縱困難。這些特性在機動飛行過程中尤為明顯，從而限制了直升機的機動飛行能力，不利于完成各項復雜飛行任務。為了解決這個問題，勢必要對直升機的機動飛行品質進行優化設計。在機動飛行品質設計的過程中，必須要對所設計的機動飛行品質等級進行評估。進行機動飛行品質等級的評估有兩種手段，飛行試驗和數值模擬。飛行試驗能夠對當前試驗樣機的機動飛行品質等級進行評估，然而在設計過程中需要反復改變設計參數，包括直升機的設計參數和飛行控制系統的參數，甚至需要進行數值優化，這樣單靠一架試驗樣機是無法完成機動飛行品質的設計任務。所以，飛行試驗適合于檢驗最終設計結果是否達到預期目標，而不適用于在機動飛行品質設計過程中進行品質等級評估，從而數值模擬方法是直升機機動飛行品質設計過程中進行直升機機動飛行品質等級評估的最有效手段。基于數值模擬的手段進行直升機機動飛行品質等級的評估需要采用一定的數學手段將機動飛行科目表示為數學函數，在此基礎上進行駕駛員操縱時間歷程的求解，然后根據直升機的飛行過程特性包括軌跡、姿態、速度等，基于飛行品質規范判定直升機在相應機動科目下的飛行品質等級。可以看出，其中涉及的關鍵技術主要是機動科目的數學描述以及駕駛員操縱時間歷程的求解方法。目前，直升機機動飛行的數值模擬主要有兩類方法，一種是基于數值優化的逆解技術，另一種是基于自動控制理論的直接解算技術。其中，絕大多數已公布的機動飛行數值模擬方法是基于第一種技術，第二種技術還處于起步階段。逆解技術對機動科目的數學描述主要是通過將飛行軌跡以分段函數的形式進行表示，而駕駛員操縱量的求解則通過數值優化方法實現。雖然這種技術已成功應用于直升機機動飛行特性分析，但其缺點還是很明顯的。首先，在當前直升機領域最先進的飛行品質規范ADS-33E-PRF中定義了23種機動飛行科目，其中大部分科目除了有飛行軌跡要求，還有飛行速度、姿態的變化要求，此外還有近一半的機動科目并沒有固定的飛行軌跡。所以，這種技術的數學描述方法并不能實現所有機動科目的數值模擬。其次，基于數值優化的駕駛員操縱量求解不僅效率低下，而且還存在數值計算不穩定問題，有可能得不到最后的優化計算結果。對于第二種技術，目前雖有初步應用，但僅僅局限于個別簡單機動科目，而且還沒有具有統一形式的數學描述方法和駕駛員操縱量求解方法。此外，從國內外發表的文獻來看，目前無論是第一種技術還是第二種技術，都只能解決開環模型的機動飛行數值模擬，無法考慮飛行控制系統的影響，這就直接造成數值模擬結果與實際試飛存在一定差異。
技術實現思路
：本專利技術的目的是為了解決當前直升機機動飛行品質設計過程中，基于數值模擬方法進行機動飛行品質等級評估的技術難題，建立一套高效的且具有統一形式的機動科目數學描述方法以及駕駛員操縱量求解方法，并在此基礎上實現直升機機動飛行品質的數值評估。同時，本專利技術還將解決現有技術無法在直升機機動飛行數值求解中考慮飛行控制系統影響的缺陷。本專利技術采用如下技術方案：一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，包括如下步驟：第一步，針對對象直升機進行飛行動力學模型初始化，通過讀取模型參數文件完成非線性飛行動力學模型的加載，得到非線性飛行動力學模型；第二步，根據選取的需要評估品質等級機動飛行科目，以該機動飛行科目的初始飛行狀態對直升機的非線性飛行動力學模型進行配平計算。第三步，以第二步得到的配平狀態為基準，進行非線性飛行動力學模型的線化，得到基于狀態空間方程描述的線性飛行動力學模型；第四步，針對選取的機動飛行科目，按照飛行品質規范對該科目的執行過程描述，將飛行軌跡、飛行速度、加速度、飛行姿態角、角速度的狀態量要求通過數學函數轉換為機動科目數學描述向量中的各個元素。第五步，基于二次型最優調節器理論，以第三步得到的線性飛行動力學模型為控制對象，計算反饋控制系數矩陣，根據飛行控制系統接通或斷開，在計算過程中對飛行控制系統加以考慮或忽略，采用4階龍格-庫塔法，實時求解包含基于反饋控制理論的駕駛員操作量計算模塊的閉環非線性飛行動力學模型，同時得到駕駛員的操縱時間歷程和直升機的狀態響應時間歷程。第六步，根據第五步求解得到的直升機狀態響應歷程和駕駛員操縱時間歷程，結合飛行品質規范的等級要求，評估直升機在該機動飛行科目的品質等級。本專利技術具有如下有益效果：1)基于固定的機動科目數學描述參數向量建立了統一的機動科目數學描述形式，克服了傳統方法依賴固定飛行軌跡的缺陷，實現了各類型機動科目的數學描述；2)基于反饋控制理論建立了高效的駕駛員操縱量求解方法，無需進行數值優化，大大提高了求解過程的效率和數值穩定性；3)考慮了實際飛行控制系統對機動飛行數值模擬的影響，提高了機動飛行品質等級評估結果的置信度。附圖說明：圖1是本專利技術的機動飛行品質評估方法實施流程。圖2是實施例中利用本專利技術方法求解得到的向心回轉機動科目駕駛員操縱時間歷程。圖3是實施例中本專利技術數值模擬得到的UH-60直升機向心回轉科目飛行軌跡。圖4是實施例中本專利技術數值模擬得到的UH-60直升機向心回轉科目高度變化時間歷程。圖5是實施例中本專利技術數值模擬得到的UH-60直升機向心回轉科目姿態角時間歷程。具體實施方式：下面將結合附圖和實施例對本專利技術作進一步詳細說明。本專利技術公開一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，流程如圖1所示，具體包括以下幾個步驟：第一步，針對對象直升機進行飛行動力學模型初始化，即通過讀取模型參數文件完成非線性飛行動力學模型的加載，最后得到如式(1)所示的非線性飛行動力學模型。其中，y為直升機狀態向量，包括機體狀態、旋翼狀態、尾跡狀態以及發動機狀態，u為直升機操縱向量，包括總距操縱、縱向周期變距操縱、橫向周期變距操縱以及尾槳總距操縱，t為時間變量，f(·)為非線性函數。第二步，根據從飛行品質規范ADS-33E-PRF中選取的機動科目，進行飛行動力學模型的配平計算。即已機動科目的初始狀態作為配平狀態點，然后令式(1)等號左側的導數項為0，得到非線性代數方程，利用Newton法求解這個方程即完成配平，最后得到式(2)所示的配平結果。式(2)所示配平結果向量的6個元素自左向右依次為總距配平量、縱向周期變距配平量、橫向周期變距配平量、尾槳總距配平量、滾轉角配平量以及俯仰角配平量。第三步，以第二步的配平狀態為基準狀態，對式(1)所示的非線性飛行動力學模型在該基準狀態下進行線化，利用標準的數值差分算法—理查德森外推法即可實現線化過程，最后得到如式(3)所示的線化飛行動力學模型。其中，為直升機狀態向量，9個狀態依次為體軸系下x，y和z軸的速度，滾轉角速度、俯仰角速度、偏航角速度、滾轉角、俯仰角和偏航角。U＝[δcol,δlong,δlat,δped]T為直升機操縱向量，四個操縱依次為總距操縱、縱向周期變距操縱、橫向周期變距操縱以及尾槳總距操縱。A和B分別為穩定性矩陣和操縱矩陣。第四步，對選定的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，其特征在于：包括如下步驟第一步，針對對象直升機進行飛行動力學模型初始化，通過讀取模型參數文件完成非線性飛行動力學模型的加載，得到非線性飛行動力學模型；第二步，根據選取的需要評估品質等級的機動飛行科目，以該機動飛行科目的初始飛行狀態對直升機的非線性飛行動力學模型進行配平計算；第三步，以第二步得到的配平狀態為基準，進行非線性飛行動力學模型的線化，得到基于狀態空間方程描述的線性飛行動力學模型；第四步，針對選取的機動飛行科目，按照飛行品質規范對該科目的執行過程描述，將飛行軌跡、飛行速度、加速度、飛行姿態角、角速度的狀態量要求通過數學函數轉換為機動科目數學描述向量中的各個元素；第五步，基于二次型最優調節器理論，以第三步得到的線性飛行動力學模型為控制對象，計算反饋控制系數矩陣，根據飛行控制系統接通或斷開，在計算過程中對飛行控制系統加以考慮或忽略，采用4階龍格?庫塔法，實時求解包含基于反饋控制理論的駕駛員操作量計算模塊的閉環非線性飛行動力學模型，同時得到駕駛員的操縱時間歷程和直升機的狀態響應時間歷程；第六步，根據第五步求解得到的直升機狀態響應歷程和駕駛員操縱時間歷程，結合飛行品質規范的等級要求，評估直升機在該機動飛行科目的品質等級。...

【技術特征摘要】
1.一種高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，其特征在于：包括如下步驟第一步，針對對象直升機進行飛行動力學模型初始化，通過讀取模型參數文件完成非線性飛行動力學模型的加載，得到非線性飛行動力學模型；第二步，根據選取的需要評估品質等級的機動飛行科目，以該機動飛行科目的初始飛行狀態對直升機的非線性飛行動力學模型進行配平計算；第三步，以第二步得到的配平狀態為基準，進行非線性飛行動力學模型的線化，得到基于狀態空間方程描述的線性飛行動力學模型；第四步，針對選取的機動飛行科目，按照飛行品質規范對該科目的執行過程描述，將飛行軌跡、飛行速度、加速度、飛行姿態角、角速度的狀態量要求通過數學函數轉換為機動科目數學描述向量中的各個元素；第五步，基于二次型最優調節器理論，以第三步得到的線性飛行動力學模型為控制對象，計算反饋控制系數矩陣，根據飛行控制系統接通或斷開，在計算過程中對飛行控制系統加以考慮或忽略，采用4階龍格-庫塔法，實時求解包含基于反饋控制理論的駕駛員操作量計算模塊的閉環非線性飛行動力學模型，同時得到駕駛員的操縱時間歷程和直升機的狀態響應時間歷程；第六步，根據第五步求解得到的直升機狀態響應歷程和駕駛員操縱時間歷程，結合飛行品質規范的等級要求，評估直升機在該機動飛行科目的品質等級。2.如權利要求1所述的高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，其特征在于：第一步中非線性飛行動力學模型如下式(1)其中：y為直升機狀態向量，包括機體狀態、旋翼狀態、尾跡狀態以及發動機狀態，u為直升機操縱向量，包括總距操縱、縱向周期變距操縱、橫向周期變距操縱以及尾跡總距操縱，t為時間變量，f(·)為非線性函數。3.如權利要求2所述的高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，其特征在于：第二步中，已機動科目的初始狀態作為配平狀態點，然后令式(1)等號左側的導數項為0，得到非線性代數方程，利用Newton法求解這個方程即完成配平，最后得到式(2)所示的配平結果，式(2)所示配平結果向量的6個元素自左向右依次為總距配平量、縱向周期變距配平量、橫向周期變距配平量、尾槳總距配平量、滾轉角配平量以及俯仰角配平量4.如權利要求3所述的高效的直升機機動飛行品質等級評估方法，其特征在于：第三步中，以第二步的配平狀態為基準狀態，對式(1)所示的非線性飛行動力學模型在該基準狀態下進行線化，利用標準的數值差分算法—理查德森外推法實現線化過程，最后得到如式(3)所示的線化飛行動力學模型其中，為直升機狀態向量，9個狀態依次為體軸系下x，y和z軸的速度，滾轉角速度、俯仰角速度、偏航角速度...

【專利技術屬性】
技術研發人員：吳偉，陳仁良，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32