專利名稱：特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的制作方法
特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統
技術領域：
本發明涉及一種計算機輔助設計系統，特別是涉及一種特征結構配置飛行控制律 計算機輔助設計系統。
背景技術：
無論對于軍用戰斗機還是民用飛機，飛行控制系統設計一直是飛行器設計的重要 內容之一。隨著先進布局和新技術的應用、飛行包線不斷擴展、機動能力不斷提高，現代飛 機飛行控制呈現出多學科、多約束、多準則、高風險的特點，給控制律設計帶來巨大挑戰。特 征結構配置作為一種現代多變量控制理論，其設計指標與飛行品質要求直接聯系、控制器 結構簡單、利用系統全部自由度滿足多約束要求，具有非常大的工程應用價值。正是由于特征結構配置設計飛行控制律的優勢，世界許多國家和地區都已針 對該項技術展開深入研究和工程應用。美國空軍萊特實驗室(U.S.Air Force Wright Laboratories)的"Application ofMultivariable Control Theory to Aircraft Control Laws (多變量控制理論在飛機控制律中的應用)”項目、歐洲航空研究與技術 委員會(Group for Aeronautical Research and Technology in Europe, GARTEUR)的 "Robust control design methods (具有魯棒性的控制設計方法)”項目、NASA的一系列 "High-Angle-of-Attack Research (大迎角研究)”項目中均對特征結構配置飛行控制律設 計進行了深入研究。目前，特征結構配置方法已經在F-22、B-2、A320、A340等飛機獲得成 功應用，獲得了滿意的飛行品質。然而，具有工程應用價值的特征結構配置飛行控制律設計是一項復雜繁瑣、針對 性強、難度較大的工作。飛行控制律設計是航空業核心技術之一，國外工程應用的基于特征 結構配置飛行控制律設計嚴格保密。波音公司在總結現代多變量控制理論設計飛行控制律 的工程經驗時，他們提到以下要求應把現代多變量控制技術與經典技術及靈敏度分析技 術結合起來、應建立和確定可將實際設計要求轉換為求解的數學表達式的實際指導規則、 應對工程技術人員進行現代多變量控制技術應用的有效訓練、應開發和發展人機界面非常 友好的設計軟件。根據以上要求，進行具有工程應用價值特征結構配置飛行控制律設計時， 要求設計人員同時對特征結構配置、飛行品質、飛行性能、優化算法、靈敏度分析技術、電傳 控制律設計等多個領域的專業知識要求較高，一般設計人員無法勝任該項工作，這無疑又 增加了特征結構配置飛行控制律設計的應用難度。因此，如何根據飛機相關模型數據，利用特征結構配置快速、準確地設計飛機的 縱向、橫側向飛行控制律，并進行仿真驗證，得到滿足控制能量、敏捷性、魯棒性、飛行品質 等的電傳飛行控制律，已經成為特征結構配置飛行控制律設計工程應用需要首先解決的問 題。鑒于以上所述，本發明的主要目的是提供一種特征結構配置飛行控制律輔助設計 系統，其可應用于計算機系統上，具有良好的人機交互界面，以便于輔助設計人員高效率地 完成特征結構配置飛行控制律的設計工作。設計人員僅需根據設計科目操作視窗的提示輸入指定的參數，即可完成特征結構配置縱向控制律設計與仿真、橫側向控制律設計與仿真， 設計結果以圖形、數據等輸出形式呈現給設計人員，據此進行多目標控制律設計的優化和 選取，并進行電傳控制律的設計與仿真。本發明的特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統，適用范圍廣，是一種通 用的計算機輔助設計系統；且該系統操作簡便，設計結果清晰直觀，便于設計人員使用。
發明內容本發明的主要目的在于提供一種特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統， 其可應用于計算機系統上，輔助設計人員高效率地完成飛機特征結構配置飛行控制律的設 計工作。此特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統包含以下系統模塊(a) 一系統 主程序庫，其中預存有特征結構配置飛行控制律設計程序，包括橫側向控制律設計程序組、 縱向控制律設計程序組和電傳控制律設計與仿真程序組；(b) —系統附加程序庫，其中預 存有設計科目代碼獲取程序和設計視窗切換程序；(c) 一主控模塊，用于顯示系統的交互 式主操作視窗，可由設計人員在操作視窗上選擇設計科目，并獲取相應的設計科目代碼； (d) 一設計視窗切換模塊，根據獲取的設計科目代碼，調用設計視窗切換程序，顯示交互式 設計科目操作視窗；(e) —橫側向控制律設計模塊，可由設計人員在操作視窗上輸入飛機 橫側向數學模型數據、特征向量參數以及最佳設計點，在系統主程序庫中選擇并運行橫側 向控制律設計程序組，獲得設計結果并顯示在操作視窗上；(f) 一縱向控制律設計模塊，可 由設計人員在操作視窗上輸入飛機縱向數學模型數據、特征向量參數以及最佳設計點，在 系統主程序庫中選擇并運行縱向控制律設計程序組，獲得設計結果，并顯示在計算機屏幕 上；(g) —電傳控制律設計與仿真模塊，可由設計人員在操作視窗上輸入電傳控制律參數， 進行仿真，并顯示在計算機屏幕上，根據仿真結果調整電傳控制律參數，最終得到滿意的電 傳控制律。利用本發明，可高效率地完成特征結構配置飛行控制律的設計，并得到滿意的電 傳控制律，可作為進行下一步工程化的設計結果。
圖1是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的軟硬件架構圖。圖2是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的橫側向控制律設 計模塊結構示意圖。圖3是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的橫側向控制律設 計模塊的phi-to-beta ratio優化及設計輸入輸出參數的詳細結構示意圖。圖4是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的橫側向控制律設 計模塊的荷蘭滾模態多目標優化及設計輸入輸出參數的詳細結構示意圖。圖5是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的橫側向控制律設 計模塊的滾轉螺旋模態多目標優化及設計輸入輸出參數的詳細結構示意圖。圖6是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的橫側向控制律設 計模塊的橫側向綜合設計與仿真輸入輸出參數的詳細結構示意圖。
圖7是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的縱向控制律設計 模塊輸入輸出參數的詳細結構示意圖。圖8是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的電傳控制律設計 與仿真模塊輸入輸出參數的詳細結構示意圖。圖9是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的操作程序流程圖。
具體實施方式如圖1所示，是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的軟硬件架 構圖。該計算機系統可為桌上型計算機、筆記型計算機或掌上型計算機裝置，其基本硬件架 構包括一中央處理器1、一輸入裝置2、一存儲裝置3、一內存模塊4及一顯示裝置5。中央處理器1用于執行內存模塊4的所有程序，其為一般熟知的數據處理裝置，因 此以下將不對其功能及內部架構作進一步詳細說明。輸入裝置2用于設計人員輸入選擇指 令、操控指令或相關參數至中央處理器1，其可為一鍵盤、鼠標或其它輸入裝置。顯示裝置5 用于向設計人員顯示操作視窗，提示設計人員輸入指定的參數，并顯示設計結果。顯示裝置 5為計算機系統上的必要配備，也為一般熟知的裝置，因此以下也不對其功能及內部架構作 進一步詳細說明。存儲裝置3用于保存上述主動重心控制系統的設計結果，其可為一磁盤 或閃存。內存模塊4為中央處理器1可直接存取及執行程序的存儲單元，例如只讀存儲器 (Read Only Memory, ROM)、可編程存儲器(Programmable Read Only Memory, PROM)、可擦 除可編程存儲器(Erasable Programmable Read Only Memory, EPR0M)及隨機存取存儲器 (Random Access Memory，RAM)。此內存模塊4用于存儲本發明特征結構配置飛行控制律計 算機輔助設計系統中的所有程序與模塊，包括一系統主程序庫41、一系統附加程序庫42、 一主控模塊43、一設計視窗切換模塊44、一橫側向控制律設計模塊45、一縱向控制律設計 模塊46、一電傳控制律設計與仿真模塊47。其中，系統主程序庫41用于存儲特征結構配置 飛行控制律設計程序，包括橫側向控制律設計程序組、縱向控制律設計程序組和電傳控制 律設計與仿真程序組。系統附加程序庫42用于存儲設計科目代碼獲取程序和設計視窗切 換程序。主控模塊43用于顯示系統的交互式主操作視窗，設計人員在操作視窗上選擇設 計科目，并獲取所選擇設計科目的代碼；設計視窗切換模塊44用于根據獲取的設計科目代 碼，顯示交互式設計科目操作視窗。橫側向控制律設計模塊45用于顯示橫側向控制律設計 相關操作視窗，由設計人員根據提示輸入相關參數，在系統主程序庫中選擇并運行橫側向 控制律設計程序組，并將設計結果以圖形和數據的形式顯示在操作視窗上。縱向控制律設 計模塊46用于縱向控制律設計操作視窗，由設計人員根據提示輸入相關參數，在系統主程 序庫中選擇并運行縱向控制律設計程序組，并將設計結果以圖形的形式顯示在計算機屏幕 上。電傳控制律設計與仿真模塊47用于顯示電傳控制律設計與仿真操作視窗，由設計人員 根據提示輸入相關參數，在系統主程序庫中選擇并運行電傳控制律設計與仿真程序組，并 將結果以圖形和數據的形式顯示在計算機屏幕上。以上功能模塊的程序均是由中央處理器 1來執行。橫側向控制律設計模塊45是根據飛機的橫側向線性模型設計飛機的橫側向控制 律，包括phi-to-beta ratio優化及設計、荷蘭滾模態多目標優化設計、滾轉螺旋模態多目標優化設計、橫側向綜合設計與仿真等，最終根據飛行品質、魯棒性、敏捷性、控制能量設計 出飛機的橫側向控制律，設計過程簡單，避免了大量的迭代設計，自動化程度高，設計人員
工作量小。縱向控制律設計模塊46是根據飛機的縱向短周期線性模型設計飛機的縱向控制 律，包括增穩設計、縱向綜合設計與仿真等。通過上述各環節的設計與調節，可以實現縱向 控制律設計，并能夠同時滿足縱向短周期自然頻率、阻尼比要求、過載響應飛行品質要求、 C*響應飛行品質要求、CAP參數飛行品質要求等，設計過程簡單，降低了設計人員的工作量。電傳控制律設計與仿真模塊47的用于驗證橫側向控制律、縱向控制律結果在加 入各種各樣的校正環節、濾波器等高頻環節的電傳控制律中的控制效果，包括仿真以及飛 行品質評價等，為控制律的工程應用提供參考。如圖2所示，是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的橫側向控 制律設計模塊45結構示意圖。橫側向控制律設計模塊包括phi-to-beta ratio優化及設 計、荷蘭滾模態多目標優化及設計、滾轉螺旋模態多目標優化及設計、橫側向綜合設計與仿 真四部分，其輸入輸出參數詳細結構圖分別如圖3、圖4、圖5及圖6所示，設計人員通過操 作視窗與橫側向控制律設計模塊45各部分交互的數據包括[輸入參數]和[輸出結果]。 如圖3所示，phi-to-beta ratio優化及設計輸入參數包括[橫側向模型]、[期望特征值]， 輸出結果則包括[數據說明]和[圖形顯示]，其中，在[數據說明]之下的分類包括[最 小控制能量]、[最佳phi-to-beta ratio]，在[圖形顯示]之下的分類包括[控制能量曲 線]。如圖4所示，荷蘭滾模態多目標優化設計輸入參數包括[橫側向模型]、[期望特征 向量]，輸出結果則包括[數據說明]和[圖形顯示]，其中，在[數據說明]之下的分類包 括[最佳荷蘭滾模態]、[控制能量指標值]、[敏捷性指標值]、[魯棒性指標值]，在[圖 形顯示]之下的分類包括[控制能量-荷蘭滾等值分布曲線]、[敏捷性-荷蘭滾等值分布 曲線]、[魯棒性-荷蘭滾等值分布曲線]。如圖5所示，滾轉螺旋模態多目標優化及設計 輸入參數包括[橫側向模型]、[期望特征向量]、[多目標荷蘭滾模態設計結果]，輸出結 果則包括[數據說明]和[圖形顯示]，其中，在[數據說明]之下的分類包括[最佳滾轉 螺旋模態]、[控制能量指標值]、[敏捷性指標值]、[魯棒性指標值]，在[圖形顯示]之 下的分類包括[控制能量-滾轉螺旋模態等值分布曲線]、[敏捷性-滾轉螺旋等值分布曲 線]、[魯棒性-滾轉螺旋模態等值分布曲線]。如圖6所示，橫側向綜合設計與仿真輸入 參數包括[橫側向模型]、[最佳期望特征值]、[期望特征向量]，輸出結果則包括[圖形 顯示]，包括[駕駛桿輸入階躍響應曲線]、[腳蹬輸入階躍響應曲線]、[駕駛桿輸入階躍 響應蒙特卡洛仿真曲線]、[腳蹬輸入階躍響應蒙特卡洛仿真曲線]。設計人員根據操作視 窗的提示輸入指定參數后，橫側向控制律設計模塊45運行設計程序組，獲得設計結果并按 照上述輸出形式顯示在顯示裝置5上。如圖7所示，是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的縱向控制 律設計模塊46輸入輸出參數的詳細結構示意圖。縱向控制律設計模塊包括增穩設計、縱向 綜合設計與仿真兩部分，設計人員通過操作視窗與縱向控制律設計模塊46交互的數據包 括[輸入參數]和[輸出結果]。增穩設計輸入參數包括[縱向短周期模型]、[期望特征 向量]，輸出結果則包括[數據說明]和[圖形顯示]，其中，在[數據說明]之下的分類包括[最佳短周期模態]、[控制能量指標值]、[敏捷性指標值]、[魯棒性指標值]，在[圖 形顯示]之下的分類包括[控制能量-短周期等值分布曲線]、[敏捷性-短周期等值分布 曲線]、[魯棒性-短周期等值分布曲線]。縱向綜合設計與仿真輸入參數包括[縱向短周 期模型]、[期望特征向量]、[最佳期望特征值]，輸出結果則包括[數據說明]和[圖形 顯示]，其中，在[數據說明]之下的分類包括[等效擬配結果]，在[圖形顯示]之下的分 類包括[駕駛桿輸入階躍響應曲線]、[C*響應曲線]、[CAP評價結果]、[等效擬配曲線]。 設計人員根據操作視窗的提示輸入指定參數后，縱向控制律設計模塊46運行設計程序組， 獲得設計結果并按照上述輸出形式顯示在顯示裝置5上。如圖8所示，是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的電傳控制 律設計與仿真模塊47輸入輸出參數的詳細結構示意圖。電傳控制律設計與仿真模塊包括 縱向電傳控制律設計與仿真、橫側向電傳控制律設計與仿真，設計人員通過操作視窗與電 傳控制律設計與仿真模塊47交互數據，包括[輸入參數]和[輸出結果]。縱向電傳控制 律設計與仿真輸入參數包括[縱向短周期模型]、[縱向電傳控制律參數]，輸出結果則包括 [數據說明]和[圖形顯示]，其中，在[數據說明]之下的分類包括[等效擬配結果]，在 [圖形顯示]之下的分類包括[駕駛桿輸入階躍響應曲線]、[C*響應曲線]、[CAP評價結 果]、[等效擬配結果]。橫側向電傳控制律設計與仿真輸入參數包括[橫側向線性模型]、 [橫側向電傳控制律參數]，輸出結果則包括[圖形顯示]，分類包括[駕駛桿輸入階躍響應 曲線]、[腳蹬輸入階躍響應曲線]。設計人員根據操作視窗的提示輸入指定參數后，電傳 控制律設計與仿真模塊47運行設計程序組，獲得設計結果并按照上述輸出形式顯示在顯 示裝置5上。如圖9所示，是本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的操作程序 流程圖。首先，中央處理器1會首先執行主控程序41，在顯示裝置5上顯示本發明系統的交 互式主操作窗口(步驟S50)，設計人員通過操作窗口選擇一個設計科目(步驟S51)，主控 模塊41獲取設計人員所選擇的設計科目代碼(步驟S5》。接著，中央處理器1執行設計視 窗切換模塊44，根據上述獲取的設計科目代碼，運行設計視窗切換程序，顯示交互式設計科 目操作視窗(步驟S53)。設計人員根據操作視窗的提示輸入指定的參數(步驟S54)，例如 包括飛行模型、期望特征值、期望特征向量等。然后，中央處理器1執行設計科目程序組(步 驟S5Q，例如橫側向控制律設計程序組、縱向控制律設計程序組或電傳控制律設計與仿真 程序組，獲得對應的設計結果，并以圖形或數據的形式顯示在顯示裝置5上(步驟S56)。最 后，將特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的設計結果保存至存儲裝置3中(步 驟S57)，以便于需要時直接將設計結果從存儲裝置3中讀出。此即完成了一次特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統的操作。綜而言之，本發明特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統可應用于一計算 機系統上，用以讓設計人員在交互式主操作視窗上選擇設計科目，并根據提示輸入指定的 參數，由本發明系統完成橫側向控制律設計、縱向控制律設計或電傳控制律設計與仿真，并 將設計結果以圖形顯示和數據說明的形式顯示在計算機屏幕上，輔助設計人員高效率地完 成特征結構配置飛行控制律的設計。
權利要求
1.一種特征結構配置飛行控制律計算機輔助設計系統，用于一計算機系統上，其特征 在于，包括一系統主程序庫，用于儲存特征結構配置飛行控制律設計程序，包括橫側向控制律設 計程序組、縱向控制律設計程序組和電傳控制律設計與仿真程序組；一系統附加程序庫，用于存儲設計科目代碼獲取程序和設計視窗切換程序； 一主控模塊，用于顯示系統的交互式主操作視窗，以便于設計人員選擇設計科目，并根 據設計人員的選擇獲取相應的設計科目代碼；一設計視窗切換模塊，根據獲取的設計科目代碼，在系統程序庫中調用設計視窗切換 源程序，顯示交互式設計科目操作視窗；一橫側向控制律設計模塊，由設計人員在操作視窗上輸入飛機橫側向數學模型數據、 特征向量參數以及最佳設計點，在系統主程序庫中選擇并運行橫側向控制律設計程序組， 獲得設計結果并顯示在操作視窗上；一縱向控制律設計模塊，由設計人員在操作視窗上輸入飛機縱向數學模型數據、特征 向量參數以及最佳設計點，在系統主程序庫中選擇并運行縱向控制律設計程序組，獲得設 計結果，并顯示在計算機屏幕上；一電傳控制律設計與仿真模塊，可由設計人員在操作視窗上輸入電傳控制律參數，進 行仿真，并顯示在計算機屏幕上，根據仿真結果調整電傳控制律參數，最終得到滿意的電傳 控制律。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，使用所述系統的應用程序，不受飛機類型、 幾何外形、氣動參數的限制，是一種通用的計算機輔助設計系統。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，其中該計算機系統為一桌上型計算機、筆記 型計算機或掌上型計算機裝置。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統是一種多目標特征結構配置飛行 控制律設計系統，在設計之初就將控制能量、敏捷性、魯棒性、飛行品質作為設計指標約束， 而后采用分步優化策略和等值分布曲線形式完成多目標的控制律設計，整個過程利于設計 人員根據工程經驗方便的處理復雜情況下的控制律多目標優化問題。
5.如權利要求4所述的系統，其特征在于，所述系統的控制律設計過程包含以下特征 及其組合 建立控制能量指標、敏捷性指標、魯棒性指標與特征結構配置控制律設計的結合； 多目標、多變量控制律優化設計采用分步優化策略降低問題復雜度； 以等值分布曲線直觀描述控制律設計指標，進行多目標的優化。
6.如權利要求1所述的系統，其特征在于，根據所述系統進行的多目標、多變量的基于 特征結構配置方法的縱向和橫側向飛行控制律設計，無需迭代設計，設計結果可以同時滿 足控制能量、敏捷性、魯棒性以及飛行品質的約束，并可以方便的進行各種仿真和飛行品質 評價。
7.如權利要求1所述的系統，其特征在于，進一步包含使用所述系統的應用程序，可以利用多目標特征結構配置的橫側向和縱向的設計結 果，進行電傳控制律參數的設計、調整與仿真，最終得到滿足多目標的電傳飛行控制律。
全文摘要
一種特征結構配置飛行控制律輔助設計系統，其可應用于計算機系統上，具有良好的人機交互界面，以便于輔助設計人員高效率地完成特征結構配置飛行控制律的設計工作。該系統可由設計人員根據設計科目操作視窗的提示輸入指定的參數，來完成特征結構配置縱向控制律設計與仿真、橫側向控制律設計與仿真，設計結果以圖形、數據等輸出形式呈現給設計人員，據此進行多目標控制律設計的優化和選取，并進行電傳控制律的設計與仿真。
文檔編號G06F17/50GK102142053SQ20111007895
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者楊凌宇, 申功璋, 高博 申請人:北京航空航天大學