系统工程与电子技术 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (9): 2902-2911.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2023.09.30

• 制导、导航与控制 • 上一篇    下一篇

基于多模型MPC的变体飞机协调优化控制

徐文丰1,2, 李颖晖1,*, 裴彬彬1, 禹志龙2   

  1. 1. 空军工程大学航空工程学院, 陕西 西安 710038
    2. 空军工程大学研究生院, 陕西 西安 710038
  • 收稿日期:2022-06-01 出版日期:2023-08-30 发布日期:2023-09-05
  • 通讯作者: 李颖晖
  • 作者简介:徐文丰(1996—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为飞行控制、变体飞机控制、深度强化学习
    李颖晖(1966—), 女, 教授, 博士, 主要研究方向为非线性控制
    裴彬彬(1991—), 男, 讲师, 博士, 主要研究方向为飞机建模与仿真、飞机电磁隐身
    禹志龙(1996—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为飞行控制、非线性控制、深度学习
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(62103440);陕西省自然科学基础研究计划(2022JM-011)

Coordinated optimization control of morphing aircraft based on multi-model MPC

Wenfeng XU1,2, Yinghui LI1,*, Binbin PEI1, Zhilong YU2   

  1. 1. Aviation Engineering School, Air Force Engineering University, Xi'an 710038, China
    2. Graduate School, Air Force Engineering University, Xi'an 710038, China
  • Received:2022-06-01 Online:2023-08-30 Published:2023-09-05
  • Contact: Yinghui LI

摘要:

针对变体飞机纵向动力学模型的变形机构、升降舵、发动机推力的协调优化控制问题, 基于多模型切换的模型预测控制方法, 建立了变体飞机的纵向动力学模型与气动模型, 并分析了其在不同状态和构型下的动力学特性。针对变体飞机纵向运动的平衡点转移问题, 基于小扰动线性模型设计了一种多模型切换的模型预测控制器。该控制器能够通过协调控制变形机构、发动机推力和升降舵优化飞行性能, 并保证了输入幅值和速率受限的条件下变体飞机的状态变量不超出预先设定的范围。然后, 给出了将控制器求解转换为二次规划的详细可行步骤。最后, 通过仿真验证了方法的有效性。

关键词: 多模态切换, 模型预测控制, 变体飞机, 协调控制, 约束控制

Abstract:

Based on the switching multi-mode model predictive control method, the coordinated optimal control of the morphing mechanism, elevator, and thrust of morphing aircraft in the cruise phase is explored. The longitudinal dynamic model and aerodynamic model of longitudinal morphing aircraft are established, and the dynamic characteristics of morphing aircraft under different flight conditions are analyzed. In view of the problem of the transfer between the equilibrium points in longitudinal movement, a multi-mode switching model predictive controller is proposed. This controller can optimize the flight performance by coordinating the morphing mechanism, engine thrust, and elevator, and ensure that the state variables of morphing aircraft do not exceed the preset range under the condition of limited input amplitude and rate. Then, the detailed and feasible solving steps and the method of transforming the optimization problem into quadratic programming are given. Finally, the simulation verifies the effectiveness of the method.

Key words: multi-mode switching, model predictive control, morphing aircraft, coordinated control, constrained control

中图分类号: