TECS的基礎與理論

本篇博客轉載https://blog.csdn.net/sinat_39342174/article/details/79982304

 

首先是TECS(Total Energy Control System,總能量控制)算法相關的基礎知識介紹。

總能量控制是運用能量控制與分配的方法,將速度控制與高度控制(切向加速度與縱向航跡角)進行解耦,用油門來控制總能量,用升降舵(俯仰角)來控制動能和勢能之間的能量轉換。

1. 總能量控制方法的公式推導。

飛機在垂直平面的運動方程爲:

式中表示航跡角。

考慮飛行中飛機的飛行航跡角一般都比較小,所以我們假設,那麼飛機飛行過程中的需用推力爲:

飛機的總能量爲飛機的動能與勢能之和:

那麼,單位重量的總能量爲:

對其進行微分可以得到:

由於

可以得到:

因此飛機在飛行過程中,總能量的變化主要是由於推力的變化來控制的

假設飛機在平飛過程中,最開始的推力是用來抵消阻力的,而且如果飛行狀態變化,飛機所受到的阻力不發生變化。那麼推力控制增量的效果爲:

其中,下標e表示偏差。所以可以得到:

由此我們可以得到控制飛機總能量變化來控制推力變化的控制律爲:

採用積分控制是爲了消除穩態誤差。

升降舵的偏轉主要可以引起飛機俯仰力矩的變化,改變飛機的飛行姿態,對推力和阻力的影響都很小。推力不變時,通過操縱升降舵來將飛機的動能和勢能進行轉換。所以升降舵可以作爲飛機動能和勢能的分配控制器。

爲了使動能和勢能具有同等的控制優先級,在升降舵控制通道使用了能量分配率作爲控制量,它定義爲勢能與動能的變化率之差:

那麼類似於推力的控制律表達能量分配率偏差和升降舵偏角的控制關係:

那麼,總能量控制的核心算法爲:

2. 總能量控制方法的實現。

總能量控制的核心算法爲公式(1),但是由於經過的比例通道在傳遞函數上產生不希望的零點,從而使控制系統超調量增大,因此出於系統動態特性的考慮,在覈心算法中的比例控制部分使用總能量變化率反饋量和分配率反饋量,由此可以得到:

由前面的推導可以得到的表達式爲:

 

則其結構圖爲:

 

對於飛機飛行控制系統,航跡角反饋量一般不可以直接獲得,可以通過飛機俯仰角和迎角反饋量解算出來。在不考慮側滑情況下,解算公式如下:

 

 

那麼,飛機速度控制輸入量和高度控制輸入量的結構框圖如圖所示:

  

 

 

另外,首先通過仿真設定推力和升降舵通道的比例與積分之間的比率關係

總能量控制系統需要兩能量控制通道具有匹配的動靜態特性,以消除飛機動能、勢能間的多餘轉換。如果總能量通道比能量分配通道具有更快的動態特性,即飛機油門杆比升降舵具有更快的響應,這將引起在飛機能量重新分配之前,由於總能量變化導致的飛行速度和高度(航跡)同時增加或減小。當需要穩定飛行速度或航跡中的一個,而要求另一個作出改變時,以上的變化將降低系統的控制性能。而與此相反,如果能量分配通道比總能量通道具有更快的動特性,即飛機升降舵比油門杆具有更快的響應,這將引起飛機總能量變化之前,由於飛機能量的重新分配,導致的飛行速度和高度(航跡)的相對變化。當需要飛行速度和高度(航跡)同時增加或減小時,以上的變化也將降低系統的控制性能。這種現象需要能量控制系統兩能量控制通道具有匹配的動靜態特性。當飛控系統按要求總能量和能量分配通道具有匹配的動靜態特性,對總能量控制系統控制參數的要求爲

以上便爲基礎的TECS控制的原理以及實現過程。

想進一步學習的可以去看《基於飛機總能量控制系統(TECS)的飛行航跡、速度解耦控制方法研究》。

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