变外形飞行器系列二变外形飞行器控制相关关
变外形飞行器系列二
变外形飞行器控制相关关键技术简述
变外形飞行器的设计涉及多个学科，本文主要简述与控制系统相关的变形蒙皮以及传感器技术、飞行控制技术等。其他关键技术如气动布局设计、多体动力学建模、发动机技术等不在本文讨论范围内，但可一定程度上参考中文文献[1]及英文文献[2]。
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变外形飞行器控制
变外形飞行器的控制系统可分为两个层次，如图1所示。第一层可称为变形控制系统，对变形结构进行控制，即实现变形控制；第二层可称为飞行控制系统，控制整个飞行器的飞行状态，即实现飞行控制[3]。变外形飞行器的飞行控制系统需要在变形结构按预定程序变形时维持飞行器的稳定;或者更进一步，将变形翼(或其他变形结构)作为附加的飞行器操纵机构，利用变形引起的空气动力学效应来辅助操纵，甚至完全操纵飞行器，实现飞行器的机动控制。变外形飞行器变形过程中，变外形飞行器空气动力学特性复杂，重心、转动惯量变化大，模型具有高度的非线性和不确定性，这给飞行控制律设计增加了困难。
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图1变外形飞行器控制系统结构
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变形蒙皮技术
历史上看，早期飞机的机翼蒙皮是织物，但随着飞行速度和气动载荷的增加，需要更坚硬、更坚固的材料。目前，大多数飞机都使用加劲金属（通常是铝合金）面板作为外壳，尽管玻璃或碳纤维/环氧树脂形式的高比强度和刚度纤维增强聚合物复合材料越来越多地被采用。加劲肋通常为Z形或T形。壁板在弦向上由肋条支撑，在翼展方向由翼梁支撑。螺旋桨或旋翼桨叶通常包括蜂窝芯和金属或复合材料表面的夹层结构。虽然大多数轴向和弯曲荷载由纵梁、肋条和翼梁抵消，但蒙皮需要承受拉力、压缩力和剪切力的组合（半单壳结构，即应力蒙皮概念），并且需要能够将扩散的空气动力压力荷载分配给基础结构。这突出了用更灵活的方法取代目前僵硬而有力的解决方案所固有的困难[4]。虽然许多变形飞机的概念已经被详细阐述，但只有少数涉及与光滑和连续的覆盖物有关的问题，同时变形和承载载荷。研究发现，各向异性和变刚度结构为机翼的形状变化和小面积增加提供了可能。为了满足所需的形状变化，可以定制或主动控制刚度，以保证弦向（或翼展方向）方向的灵活性和定制的驱动力。因此，波纹结构、分段结构、增强弹性体或嵌入低模量膜中的柔性基体复合管都是变形蒙皮的可能结构。对于较大的机翼面积变化，特别有吸引力的解决方案可以采用可展开结构，因为当其表面积增加时，不会产生内应力。更多相关技术可参考文献[5]。
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传感器技术
目前正在研究的许多变形机翼设计仍然基于多个铰链控制面，以影响整体机翼形状控制，但导致了接头处的空气动力学效率低下。因此，一个更具挑战性和空气动力学效率的是设计一种具有无缝形状变化能力的变形机翼，如NASA设计的F-变后掠角战斗机。文献[6]介绍了其开发的基于微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）高应变传感器：利用直接聚合物基图案化技术（DirectPolymerPatterningOnSubstrateTechnique，DPPOST），DPPOST允许光刻定义的弹性体结构以类似于蒸发金属的剥离过程的方式直接在基板上形成图案。有机硅弹性体（RTV-11或RTV-）由于其力学性能和广泛的应用，被用作传感器元件的基体材料，碳黑纳米粒子被用来提供10Ω-cm量级的电阻传感元件。该文献讨论第一代MEMS高应变传感器的设计、制造和开发，用于在低速风洞中对高弹性机翼进行实验测量。
图2带MEMS高应变传感器的机翼结构及传感器阵列实物图
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飞行控制技术
对于变外形飞行器，一般针对固定翼飞行器的传统控制方法即传统增益调度控制可能不再可行。该方法在设计过程中，设计点的选择、增益调度控制规律的调试等主要取决于设计者的经验和大量的仿真实验。而且，一旦系统存在建模误差，控制律在不同工作点之间切换可能会造成参数突变，且难以保证系统在全局上拥有每个局部工作点设计时所期望的性能；当工作条件复杂，特别是系统发生故障时，该方法往往需要预置海量增益表，计算量非常大。
变外形飞行器所面临时变的气动外形以及大范围变化的飞行工况，这导致飞行器在不同的飞行状态下，被控对象状态矩阵的大范围变化，给变外形飞行器的控制系统设计带来挑战。对于变外形飞行器这种参数幅度变化大的被控对象，需要设计能够自适应的、鲁棒性强的控制系统，即控制系统必须能够保证变外形飞行器在所有静态构型及构型动态变化下的稳定飞行。
近年来有很大一部分关于变外形飞行器控制的相关研究。主要以切换控制、鲁棒H∞控制、滑模控制、鲁棒增益调度控制、状态反馈控制等现代控制方法为主，针对的主要为变外形飞行器的线性变参数（Linearparametervarying，LPV）系统模型等。
滑模控制方面。文献[7]以伸缩翼变外形飞行器为对象，建立了飞行器气动参数与翼展变形率的函数关系，将机翼伸缩视为辅助操纵方式，构建了变形辅助机动的动力学模型。针对飞行器模型高度非线性的特点和机翼伸缩等会引起复合干扰的问题，提出了一种基于反馈线性化的非奇异动态终端滑模控制。文献[8]提出一种可变外形的高超声速飞行器模型设计了线性二次型控制器对其进行控制，结果表明通过变外形，飞行器可以大幅度改变升阻特性，系统稳定性和收敛快速性都得到了很大提高。文献[9]则对该对象进行了滑模控制的控制可行性实验，但没有给出具体控制律设计过程。
鲁棒H∞控制方面。文献[10]针对存在有界干扰和控制器参数不确定性的可变后掠角变外形飞行器，研究非脆弱有限时间鲁棒控制器的设计问题，建立了纵向运动的切换系统模型，设计了基于状态反馈的非脆弱鲁棒控制器，并且研究了有限时间内的稳定性问题。文献[11]针对变外形飞行器在不同的机体构型其控制目标不同，提出了一种基于平均驻留时间方法的切换线性变参数(switchinglinearparametervarying，SLPV)鲁棒H∞控制方法，该方法根据变外形飞行器的任务模式及性能指标要求把后掠角变化范围分成不同的区域，在不同的区域根据相应的控制目标给出系统满足鲁棒H∞控制性能指标可解的条件及相应的LPV控制器，并用平均驻留时间方法保证变外形过程的稳定性。文献[12]以一类翼展可变的飞行器模型为对象，研究了一种针对非仿射参数依赖结构的线性变参数(LPV)系统的控制问题。文献[13]建立一类平滑切换系统，同时引入切换序列受限的链式切换，推导了链式平滑切换系统在有限时间有界且具有鲁棒性能指标的充分条件，设计了一种平滑切换镇定控制器的求解算法，并给出控制增益的求解步骤。
切换控制方面。文献[14]和文献[15]分别针对翼展可变飞行器和变后掠角飞行器的控制问题，提出了一种连续平滑切换线性变参数LPV控制器的设计方法。将变外形飞行器建模成以翼展变形率为时变参数的LPV系统，通过对时变参数进行具有重叠特性的区间划分，设计平滑切换控制器。考虑时变参数的渐变特性，得到了没有平均驻留时间限制的切换律，降低了结论的保守性。文献[16]研究了去伪控制算法在变外形飞行器上的应用，该类算法是无模型自适应控制方法本质属于一类切换控制，但针对的对象为变后掠变翼展的线性简化模型。
除此之外，还有如模糊控制和强化学习控制等方法进入到变外形飞行器飞行控制的研究中。文献[17]提出了一种基于Kalman滤波的T-S模糊控制方法。考虑飞行器系统状态不可测，引入惯导数据作为辅助信息，利用Kalman滤波算法融合飞控信息与惯导信息实现状态估计。并通过状态反馈方法设计局部控制器，局部线性模型和局部控制器通过模糊集和模糊规则聚合成一个连续光滑的全局T-S模糊模型和T-S模糊控制器。通过综合Kalman滤波器与T-S模糊控制器得到一个基于Kalman滤波的T-S模糊控制器。仿真结果表明，该控制器在变形过程中能够实现状态估计，保证飞机的跟踪性能。文献[18]研究了一种基于Q学习的变翼型飞机高度运动的切换控制策略。
故障检测方面，文献[19]以引言处提到的Fire-bee后掠角可变无人技术验证机为对象，考虑同时存在状态时滞和随机丢包的网络环境，基于切换系统理论，研究了变外形飞行器闭环故障检测滤波器的设计问题。通过多Lyapunov-Krasovskii函数方法和平均驻留时间方法分析系统在异步切换情况下的稳定性。
参考文献
[1]杨贯通.变外形飞行器建模与控制方法研究[D].北京:北京理工大学,.[2]SeiglerTM,NealDA,BaeJS,etal.ModelingandFlightControlofLarge-ScaleMorphingAircraft[J].JournalofAircraft,,44(4):-.[3]陆宇平,何真.变外形飞行器控制系统综述[J].航空学报,,30(10):-.[4]MEGSON,T.H.G.AircraftStructuresforEngineeringStudents,,Thirdedition,Arnold,London,UK.[5]ThillC,EtchesJA,BondIP,etal.Morphingskins[J].AeronauticalJournalNew,,(9):-.[6]MadyalaA,HuangA.Characterizationof1stGenerationHigh-StrainElastomerMEMSSensorsforMorphingAircraftApplications[C]//AsmeInterpackConferenceCollocatedwiththeAsme/jsmeThermalEngineeringHeatTransferSummerConference..[7]殷明,陆宇平,何真等.变外形飞行器变形辅助机动的建模与滑模控制[J],系统工程与电子技术,,37(1):-.[8]杨博,等.折叠式变外形飞行器轨迹优化及控制分析[J],中国空间科学技术,,40(3):64-75.[9]杨博,等.变外形飞行器的气动结构对控制系统的影响[J],弹道学报,,32(1):83-90.[10]程昊宇,董朝阳,王青等.变外形飞行器的非脆弱有限时间鲁棒控制器设计[J],控制与决策,,32(11):-.[11]何墉,章卫国,王敏文等.变外形飞行器切换线性变参数鲁棒H∞控制器[J].西北工业大学学报,,34(6):-.[12]温暖,刘正华,祝令谱等.非仿射依赖LPV模型的变外形飞行器H∞控制[J].北京航空航天大学学报,,43(10):-.[13]贾臻,董朝阳,王青.链式平滑切换变外形飞行器LPV鲁棒跟踪控制[J].北京航空航天大学学报,,43(4):-[14]江未来,董朝阳,王通等.变外形飞行器连续平滑切换LPV控制[J].系统工程与电子技术,,37(6):7-.[15]江未来,董朝阳,王通等.变外形飞行器平滑切换LPV鲁棒控制[J].控制与决策,,31(1):66-72.[16]姚烯,刘春生,王晓霞.变形翼飞行器去伪控制算法研究[J].飞行力学,,32(6):-.[17]梁帅,杨林,杨朝旭等.基于Kalman滤波的变外形飞行器T-S模糊控制[J].航空学报,,41(x):.[18]GONGL,WANGQ,HUC,LIUC.SwitchingcontrolofmorphingaircraftbasedonQ-learning[J].ChineseJournalofAeronautics,,33(2):-.[19]程昊宇,董朝阳,江未来等.变外形飞行器故障检测与容错控制一体化设计[J].兵工学报,,38(4):-.1
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