1、文章编号：1000-8055（2023）06-1391-12doi：10.13224/ki.jasp.20220866基于非线性模型预测控制的倾转旋翼机过渡控制余新，陈仁良（南京航空航天大学航空学院直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京210016）摘要：提出一种基于降阶模型和光滑切换控制的非线性模型预测控制用于倾转旋翼机过渡机动。建立了倾转旋翼机的仿真模型和降阶的预测模型。在模型预测算法框架内采用降阶模型预测飞行器的后继状态，并结合速度和高度的光滑切换控制和分段短舱角速率控制策略推导了适用于倾转过渡的指令跟踪目标函数，在约束中考虑操纵行程、俯仰角速率和俯仰角限制。通过倾转走廊内的非动态倾转和
2、动态倾转飞行仿真，分别验证该过渡控制对姿态、速率指令跟踪和动态倾转过渡的表现。结果表明：飞行器在不同短舱角的固有特性差异对控制器的跟踪性能影响小。在动态倾转飞行中，控制器辅以短舱控制策略让飞行器以较小的高度和光滑的俯仰姿态变化完成不同短舱速率的过渡过程，同时速度跟踪和横、航向姿态保持效果优。关键词：倾转旋翼机；非线性模型预测控制；过渡控制；姿态控制；光滑切换控制；短舱控制策略中图分类号：V212.4文献标志码：ATiltrotoraircraftconversioncontrolbasedonnonlinearmodelpredictivecontrolYUXin，CHENRenliang（N
3、ationalKeyLaboratoryofRotorcraftAeromechanics，SchoolofAeronautics，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China）Abstract:A nonlinear model predictive control based on a reduced order model and smoothswitchingcontrolwasproposedfortheconversionmaneuveringoftiltrotoraircraft.Thesimu
4、lationmodelandthereducedorderpredictionmodeloftiltrotoraircraftwereestablished.Intheframeworkofthemodelpredictionalgorithm，thereducedordermodelwasusedtopredictthesuccessorstatesofthevehicle.Combinedwithsmoothswitchingcontrolofspeedandaltitude，alongwiththenacellecontrolstrategyofsegmentednacelletilti
5、ngrate，thecommandtrackingobjectivefunctionsuitablefortransitionmaneuveringwas derived.The control saturation，pitch angle rate，and pitch angle limits were considered in theconstraints.Theperformanceoftheconversioncontrolmethodonattitudeandratecommandtrackingduringdifferentconversionphasesanddynamictr
6、ansitionmaneuveringwasverifiedbyflightsimulations，respectively.Resultsshowedthattheinherentcharacteristicsofaircraftatdifferentnacelleangleshadlittleimpactonthetrackingperformanceofthecontroller.Intheconversionmaneuvering，thecontrollerandthenacellescontrolstrategyenabledtheaircrafttocompletetheconve
7、rsionprocedureswithsmallaltitudevariationandsmoothpitchattitudevariation，andthespeedtrackingandtheattitudeholdingoflateralandheadingwereexcellent.Keywords:tiltrotoraircraft；nonlinearmodelpredictivecontrol；conversioncontrol；attitudecontrol；smooth-switchingcontrol；nacelletiltingstrategy收稿日期：2022-11-14
8、基金项目：国家自然科学基金（11672128）；江苏高校优势学科建设工程资助项目作者简介：余新（1994），男，博士生，主要从事旋翼飞行器飞行力学与控制研究。通信作者：陈仁良（1963），男，教授、博士生导师，博士，主要从事直升机飞行动力学与控制，旋翼飞行器多学科优化研究。E-mail：引用格式：余新,陈仁良.基于非线性模型预测控制的倾转旋翼机过渡控制J.航空动力学报,2023,38（6）：1391-1402.YUXin,CHENRenli-ang.TiltrotoraircraftconversioncontrolbasedonnonlinearmodelpredictivecontrolJ
9、.JournalofAerospacePower,2023,38（6）：1391-1402.第38卷第6期航空动力学报Vol.38No.62023年6月JournalofAerospacePowerJune2023n0n90倾转旋翼机具有传统直升机与螺旋桨飞机的特色，体现在高效的翼载飞行和突破场地限制的垂直起降1-2。倾转旋翼机多样化的任务能力突破传统直升机和螺旋桨飞机的使用界限，在军、民领域有广阔的应用前景。如图 1 所示，XV-15倾转旋翼机有 3 种飞行模式，分别是直升机模式、飞机模式以及过渡模式。其中，过渡模式（短舱角，）主要用于直升机模式和飞机模式之间的转换。Helicopter m
10、oden=00n90Vertical finHorizontal tailFlap/alileronConversion modeRotorWingAirplane mode n=90图1XV-15 倾转旋翼机过渡飞行模式Fig.1ConversionflightmodeofXV-15tiltrotoraircraft在所有的飞行模式中，倾转过渡是一个最苛刻且危险的飞行阶段3-4。为确保安全过渡，有一个由短舱角相对空速定义的飞行包线称为倾转走廊1,5，每个短舱角只能处于允许的空速范围。在倾转过渡过程中，借助带控制增稳的飞行控制系统（flightcontrolsystem,FCS）可提高转换的安
11、全性6。倾转过渡是变构型机动，会导致倾转旋翼机的固有特性发现变化，体现在变化的阻尼特性和操纵性，这种变固有特性，给 FCS 设计带来挑战7-8。一般来说，为克服这种变动力学特性，采用传统控制方法的倾转旋翼机 FCS 需引入增益调度技术8-10。（explicitmodel-following,EMF）控制和特征结构配置（eigenstructureassignment,ESA）可提供直观的反馈增益设计，广泛用于旋翼飞行器飞行控制11-13。EMF 和 ESA 在设计时基于标称线性模型，在倾转旋翼机应用时，也需要考虑变构型机动对系统固有特性的影响。部分经典的控制系统设计方法的局限性可通过现代控制
12、技术来弥补。Rysdyk、Leitner 等在模型逆中综合神经网络（neuralnetwork,NNW）技术设计了倾转旋翼机的控制增稳系统，这种方法降低了传统控制中面对固有特性变化所采用的广泛相对空速和短舱角增益调度的依赖8,14。Lu 等基于自抗扰控制（activedisturbancerejectioncontrol,ADRC）设计了倾转旋翼机的纵向过渡控制，通过扩张的扰动状态估计过渡过程中的动力学特性差异，将动力学系统差异视为扩张的扰动状态，然后进行针对性补偿15。总的来说，倾转旋翼机的过渡控制要求能够适应变构型导致的变动力学特性，采用扰动估计、补偿技术或增益调度是现在较为广泛的处理办法
13、。非线性模型预测控制（nonlinearmodelpre-dictivecontrol,NMPC）旨在求解满足特定任务目标函数最小化获得控制量，每一阶段的跟踪控制实现伴随着一个阶段的优化问题求解16-18。换言之，NMPC 是通过逐步向前优化获取当前阶段的控制量，并采用特定的反馈控制策略将控制量发送给被控系统，从而滚动向前推进闭环控制任务。在旋翼飞行器轨迹跟踪机动任务应用中，模型预测控制在处理约束和不确定性方面表现出好的适用性17,19-21。Ngo 等在旋翼飞行器舰船操作任务中，采用操作点的简化模型设计模型预测控制器，该控制方法在舰船操作任务中表现出好的跟踪性能、操纵约束处理和干扰抑制19-
14、20。Avan-zini 等基于模型预测控制结构对逆仿真进行改进，采用低阶简化模型进行求解，该方法在预测限制中包含了飞行器的输入-输出约束21。Wilson 等基于降阶模型设计了 NMPC 控制器用于倾转旋翼机自传下滑机动任务，在功率损失的自转下滑非正常状态中控制器能够较好地跟随参考轨迹17。总结来说，模型预测控制在复杂机动任务中具有好的轨迹跟踪和约束处理能力，采用简化预测模型或线性模型进行模型预测控制器设计是较为通用的做法。倾转旋翼机过渡机动中姿态、姿态速率和高度的变化要尽可能小。并且采用简化非线性模型或能一定程度上包含变构型导致的固有特性变化，从而降低固有特性变化对 NMPC 跟踪性能的恶
15、化。受以上论述启发，本文选择 NMPC 进行控制律设计，并将其用于倾转旋翼机的过渡飞行控制。本次研究中，提出一种基于简化预测模型和光滑切换控制的非线性模型预测控制用于倾转旋翼机的过渡飞行。文中第 1 节，建立了用于闭环仿真验证的全模式飞行动力学模型，并对旋翼模型进行降阶，建立适用于预测控制的简化模型。文中第 2 节，基于模型预测控制算法推导了轨迹跟踪非线性模型预测控制器，在目标函数中采用光滑切换控制对速度和高度通道进行过渡切换，并结合开环变短舱角速率控制策略形成动态倾转过渡控制方法。文中第 3 节，首先对比分析了带1392航空动力学报第38卷约束和不带约束非线性模型预测控制器在不同短舱角度对姿
16、态、速率指令的跟踪表现，然后对比分析过渡控制方法对不同短舱倾转策略下动态倾转过渡的控制表现。文中第 4 节，总结了本次研究。1飞行动力学模型XV-15 作为倾转旋翼研究飞行器，一方面具有详细的数据支持建模22-23，另一方面对该机型的过渡飞行研究对其他倾转旋翼机具有推广意义6,9。因此，本文以该机型为研究对象，分别介绍仿真模型与用于后续控制系统设计的降阶模型的建模特点。1.1倾转旋翼机仿真模型倾转旋翼机的各子系统建模包含旋翼、机翼短舱、平尾、垂尾和机身。其中，旋翼作为最重要的部件，需要考虑旋翼的非定常动力学特性，具体的建模流程如图 2 所示。桨叶挥舞运动操纵输入叶素迎角叶素气动载荷桨叶气动载荷旋翼气动载荷桨叶运动桨盘诱导速度图2旋翼非定常动力学特性Fig.2Rotorunsteadydynamiccharacteristics.本文在建模时，考虑的旋翼动力学特性可总结为以下特点：1）桨叶视为刚体，采用线性负扭假设。2）采用叶素理论建立桨叶的准定常气动力模型，仅考虑叶素的二维气动载荷，包括升、阻力和俯仰力矩。3）采用三维动态入流模型模拟旋翼桨盘诱导速度的非均匀分布和动态特性。4）旋翼的挥