专利名称：电控旋翼桨距自适应控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制方法，尤其涉及一种直升机电控旋翼桨距自适应控制方法， 属于直升机旋翼操纵领域。
背景技术：
直升机是一种具有独特飞行特性的飞行器，既可以悬停、垂直升降，又能向任何一 个方向飞行。直升机之所以具备这种能力，主要得益于旋翼及其操纵系统。旋翼及其操纵系 统是直升机的关键部件，对直升机的性能、操纵稳定性及直升机的飞行安全都有重要影响。现有的直升机一般是通过间接对自动倾斜器的操纵来实现对直升机的操纵，这种 操纵系统的缺点比较明显由于使用自动倾斜器、机械操纵杆系以及液压系统，使得直升机 的重量效率降低；同时，机械液压设备导致直升机的可靠性降低，制造维护成本增加。而本 世纪初提出的电控旋翼系统则不会出现此类问题。电控旋翼系统的基本工作原理是驾驶 员操纵驾驶杆，驾驶杆产生的电信号经集流环、旋翼轴、桨毂传至位于桨叶的电磁作动器， 电磁作动器通过传动杆系，驱动各片桨叶的后缘襟翼做偏转运动；只需桨根的扭转刚度适 当，则襟翼产生的俯仰力矩通过气弹作用改变桨叶的桨距，从而实现旋翼操纵。与传统的旋 翼系统相比，电控旋翼主要优势在于可使操纵系统大为简化，提高直升机的可靠性、维护 性；简化了桨毂形式，提高气动效率；易于实现多冗余度设计，提高直升机的安全性；便于 与电传或光传系统集成，实现更加直接有效的控制。目前，关于电控旋翼控制方法的研究方面，国外的相关文献很少，在实验中，襟翼 到桨距之间的控制为开环控制，尚未进行闭环控制(Bao Jinsong, Allen Keith, Chopra Inderjit. Designand Test of a Mach Scale Swashplateless Rotor Using Smart Trailling-Edge Flaps. The 62nd AnnualForum of American Helicopter Society,2006)； 国内夏鹤鸣、陆洋等人以理论研究结果为基础，在改进型电控旋翼系统上，采用PID控制方 法进行了桨距闭环控制研究，试验验证了悬停状态下该方法的有效性，但是当旋翼气动环 境(直升机飞行状态)发生变化时，该方法无法实现桨距的有效控制(夏鹤鸣，陆洋，悬停 状态下电控旋翼桨距控制研究，航空动力学报，2009，第M卷，第十期)。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能适应直升机各种飞行状态的电控旋翼桨距自适应 控制方法。该电控旋翼桨距自适应控制方法所采用的控制系统包括自适应滤波控制器、系统 辨识控制器、并行环节滤波控制器、比较模块I、比较模块II和系统辨识模型，其中自适 应滤波控制器、系统辨识控制器、并行环节滤波控制器、比较模块I以及电控旋翼系统均连 接上位计算机的输出，系统辨识控制器的输出分别接入自适应滤波控制器、比较模块I和 系统辨识模型，自适应滤波控制器的输出分别接入系统辨识模型和电控旋翼系统，系统辨 识模型的输出接入比较模块II，比较模块I的输出分别接入比较模块II和自适应滤波控制器，比较模块II的输出分别接入系统辨识控制器和并行环节滤波控制器，并行环节滤波控 制器的输出接入比较模块II，比较模块I连接电控旋翼系统的输出；该电控旋翼桨距自适应控制方法包括如下内容(1)上位计算机输出电控旋翼期望桨距值和随机扰动信号，期望桨距值进入自适 应滤波控制器、并行环节滤波控制器和比较模块I，随机扰动信号进入系统辨识控制器和 电控旋翼系统；(2)设定自适应滤波控制器、系统辨识控制器和并行环节滤波控制器的滤波权值 系数初值，自适应滤波控制器得出一个初始的控制输出信号，该信号与随机扰动信号相减 后进入电控旋翼系统；(3)系统辨识控制器计算得出初始系统模型辨识参数以及由该参数计算得出的扰 动产生桨距值，系统模型辨识参数代入系统辨识模型得到电控旋翼系统初始的抽象数学模 型，该数学模型根据控制输出信号计算得出辨识模型产生的桨距值，系统模型辨识参数同 时还进入自适应滤波控制器；(4)并行环节滤波控制器在其滤波权值系数初值为零的情况下得出初始的并行 环节跟踪值，此后，扰动产生桨距值、期望桨距值以及电控旋翼系统输出的实际桨距值同时 进入比较模块I得到比较差值I，比较差值I再与辨识模型产生的桨距值、并行环节跟踪 值进入比较模块II得到比较差值II，比较差值I作为反馈值输入自适应滤波控制器进行计 算，比较差值II也作为反馈值输入系统辨识控制器和并行环节滤波控制器进行计算；(5)自适应滤波控制器、系统辨识控制器和并行环节滤波控制器根据反馈值进行 滤波权值系数更新，使比较差值逐渐逼近最小值，该最小值的取值范围为0. 3 0. 5度。本发明的有益效果如下(1)在直升机不同的飞行状态条件下，均能对电控旋翼桨距幅值和相位进行准确 控制。(2)本发明采用自适应滤波控制器对桨距进行控制，并且添加了模型在线辨识模 块，降低了次级通道的影响，提高了控制系统的收敛性和控制精度；同时，采用并行环节滤 波控制器有效地消除了自适应滤波控制器与在线辨识模块之间的相互影响，提高了控制系 统的鲁棒性和整体性能。(3)本发明提出的控制方法不仅可用于电控旋翼的主操纵控制，在此基础上还能 同时对旋翼桨距的高阶频率成分进行控制，以达到减小振动、降低噪声、提高直升机性能的 目的。
图1为本发明方法的控制系统结构示意图。图2为自适应滤波控制器的工作结构原理图。图3为系统辨识控制器的工作结构原理图。图4为并行环节滤波控制器的工作结构原理图。图5为各控制器中数字滤波器的工作结构原理图。
具体实施例方式如图1所示，本发明方法所采用的控制系统的结构包括自适应滤波控制器、系统 辨识控制器、并行环节滤波控制器、比较模块I、比较模块II和系统辨识模型，其中自适 应滤波控制器、系统辨识控制器、并行环节滤波控制器、比较模块I以及电控旋翼系统均连 接上位计算机的输出，系统辨识控制器的输出分别接入自适应滤波控制器、比较模块I和 系统辨识模型，自适应滤波控制器的输出分别接入系统辨识模型和电控旋翼系统，系统辨 识模型的输出接入比较模块II，比较模块I的输出分别接入比较模块II和自适应滤波控制 器，比较模块II的输出分别接入系统辨识控制器和并行环节滤波控制器，并行环节滤波控 制器的输出接入比较模块II，比较模块I连接电控旋翼系统的输出；自适应滤波控制器为主模块，比较差值I与输入信号在LMS算法模块中进行计 算，得出滤波器的权值系数进入数字滤波器与期望桨距值相乘，从而得出电控旋翼系统的 控制输出信号。自适应滤波控制器的工作原理结构如图2所示，图中的系统辨识参数由系 统辨识控制器给出。系统辨识控制器中，随机扰动信号与比较差值II通过LMS算法模块计算得出的权值 即为系统辨识参数，该参数再与随机扰动信号进入数字滤波器计算得出扰动产生桨距值。系 统辨识控制器的工作原理结构如图3所示，其中的数字滤波器相当于一个系统辨识模型。并行环节滤波控制器中，比较差值II与期望桨距值在LMS算法模块中进行计算， 得出滤波器的权值系数进入数字滤波器与期望桨距值进行计算，从而得出并行环节跟踪 值。并行环节滤波控制器用于消除系统辨识模块及自适应滤波控制器之间产生的相互影 响，其基本原理同自适应滤波控制器。并行环节滤波控制器的工作原理结构如图4所示。上述三个控制器均采用最小均方误差(IiK)算法的自适应滤波器，各自起不 同的作用。对于自适应滤波器，本发明中采用的是如图5所示的L阶横向有限冲激响 应(FIR)数字滤波器，图中Wi(Ii)表示LMS算出的控制器权值系数，最终输出可表示为
权利要求
1.一种电控旋翼桨距自适应控制方法，其特征在于该方法所采用的控制系统包括自适应滤波控制器、系统辨识控制器、并行环节滤波控 制器、比较模块I、比较模块II和系统辨识模型，其中自适应滤波控制器、系统辨识控制 器、并行环节滤波控制器、比较模块I以及电控旋翼系统均连接上位计算机的输出，系统辨 识控制器的输出分别接入自适应滤波控制器、比较模块I和系统辨识模型，自适应滤波控 制器的输出分别接入系统辨识模型和电控旋翼系统，系统辨识模型的输出接入比较模块 II，比较模块I的输出分别接入比较模块II和自适应滤波控制器，比较模块II的输出分别 接入系统辨识控制器和并行环节滤波控制器，并行环节滤波控制器的输出接入比较模块 II，比较模块I连接电控旋翼系统的输出；该电控旋翼桨距自适应控制方法包括如下内容(1)上位计算机输出电控旋翼期望桨距值和随机扰动信号，期望桨距值进入自适应滤 波控制器、并行环节滤波控制器和比较模块I，随机扰动信号进入系统辨识控制器和电控 旋翼系统；(2)设定自适应滤波控制器、系统辨识控制器和并行环节滤波控制器的滤波权值系数 初值，自适应滤波控制器得出一个初始的控制输出信号，该信号与随机扰动信号相减后进 入电控旋翼系统；(3)系统辨识控制器计算得出初始系统模型辨识参数以及由该参数计算得出的扰动产 生桨距值，系统模型辨识参数代入系统辨识模型得到电控旋翼系统初始的抽象数学模型， 该数学模型根据控制输出信号计算得出辨识模型产生的桨距值，系统模型辨识参数同时还 进入自适应滤波控制器；(4)并行环节滤波控制器在其滤波权值系数初值为零的情况下得出初始的并行环节跟 踪值，此后，扰动产生桨距值、期望桨距值以及电控旋翼系统输出的实际桨距值同时进入比 较模块I得到比较差值I，比较差值I再与辨识模型产生的桨距值、并行环节跟踪值进入 比较模块II得到比较差值II，比较差值I作为反馈值输入自适应滤波控制器进行计算，比 较差值II也作为反馈值输入系统辨识控制器和并行环节滤波控制器进行计算；(5)自适应滤波控制器、系统辨识控制器和并行环节滤波控制器根据反馈值进行滤波 权值系数更新，使比较差值逐渐逼近最小值，该最小值的取值范围为0. 3 0. 5度。
2.根据权利要求1所述的电控旋翼桨距自适应控制方法，其特征在于所述自适应滤 波控制器、系统辨识控制器和并行环节滤波控制器均采用最小均方误差算法的自适应滤波ο
3.根据权利要求2所述的电控旋翼桨距自适应控制方法，其特征在于所述自适应滤 波器采用有限冲激响应滤波器。
全文摘要
本发明涉及一种电控旋翼桨距自适应控制方法，属于直升机旋翼操纵领域。该方法所采用的控制系统包括自适应滤波控制器、系统辨识控制器、并行环节滤波控制器、比较模块I和II以及由系统辨识控制器得到的系统辨识模型。该方法由上位机产生期望桨距值和随机扰动信号进入控制系统，将自适应滤波控制器的控制输出信号与随机扰动信号相减作为电控旋翼系统的输入，电控旋翼系统输出实际桨距值进入控制系统，三个控制器根据输入值与比较差值采用LMS算法更新滤波器权值系数，以使比较差值逐渐逼近最小值。本发明能适应直升机各种飞行状态的变化，始终准确地对电控旋翼桨距进行控制。
文档编号G05B13/04GK102081353SQ20101021197
公开日2011年6月1日 申请日期2010年6月28日 优先权日2010年6月28日
发明者洪亮, 陆洋 申请人:南京航空航天大学