RASCAL直升机设计与测试的控制律研究

RASCAL设计与测试的控制律研究Abstract设计了两种独特的控制律,在军队/NASARotorcraftAircrewSystemsConceptsAirborneLaboratory(RASCAL)的JUH-60A黑鹰上测试,第一套控制系统使用简单的速度反馈,来促进RASCAL的飞行控制系统的第一次和后来的飞行品质,第二套系统由更复杂的模型跟随结构所组成,两套系统都得以广泛的发展和测试,采用’’台式机到飞行”,分析,仿真工具,飞行测试与模型预测的响应很吻合,提供了证据与自信来发展未来RASCAL的飞行控制系统将是有效和精确的.Introduction本文描述了RASCAL的两套控制系统,一套的特征是响应反馈,一套是模型跟踪,RASCAL是一种SikorskyJUH-60A黑鹰直升机,改装后用于研究,加装了一套可编程,高带宽,full-authority的研究飞行控制系统,改装内容包括平行液压作动器,高性能飞行控制计算机,通过传递系统使安全驾驶员把控制作用与有线飞行系统传递,右座副驾驶员的位置(周期变距驾驶杆,踏板等)得以移除,代之以侧向三轴控制器,以及电子总距控制驾驶杆,RASCAL配置的主要细节可参考文献1.RASCAL由军方与NASA共同研发,是一种高度灵活的平台,可用于探索宽范围的飞行控制,战场演示,相关系统配置,飞行控制的研究能力是由一系列桌面与地面仿真工具,所支持的,以确保新概念的高效,快速和安全飞行测试,RASCAL还可以被当作一种变稳定的飞行模拟器,文中所述模型跟踪控制律很适合于此.飞行控制发展过程台式电脑到飞行发展环境TheArmy/NASARotorcraftDivisionhasdevelopedasetofsoftwaretoolsenablingdesignerstotakeaflightcontrolconceptfrominceptiontoflighttestinanefficientandreliableprocess.Thefirststepintheprocessistheselectionofamathmodeloftheaircraftdynamics.InthecaseofRASCAL,6-degree-of-freedom(DOF)and10-DOFlinearmodelsoftheunaugmentedUH-60atavarietyofflightconditionshavebeenpreviouslyidentified2fromflighttestdatausingtheComprehensiveIdentificationfromFrequencyResponses(CIFER?3)software.Inaddition,avalidatednon-linearreal-timesimulationcode(GenHel)isavailable,4enablingtherobustnessofacontrolsystemdesigntobesubsequentlyevaluatedthroughouttheentireflightenvelope.军队/NASARotorcraft分部发展了一系列工具软件,来使得设计者的飞行控制构想可以从起初到飞行测试得以有效和可靠的实现,第一步是选择飞行器动力学的数学模型,在RASCAL,UH-60在各种飞行条件下的未放大的六自由度和10自由度的线化模型被预先辩识,使用频率响应的综合辩识软件,来源于飞行测试数据.另外一种已经验证过的非线性实时模拟程序被应用,使得控制系统设计的鲁棒性能可以在整个飞行包线内得以评估.ControlloopsarethendesignedaroundthelinearmathmodelusingtheMATLAB/Simulink?ControlsystemmodelingtoolsandtheControlDesigner’sUnifiedInterface(CONDUIT?)analysis/optimizationenvironment.5CONDUIT?isusedtoevaluateandoptimizethecontrollawgainstosimultaneouslymeetabroadvarietyofstability,performance,andhandlingqualityspecifications,aswellascertainhardwarelimitationssuchasactuatorratecapabilities.使用MATLAB/Simulink控制系统模型工具和控制设计统一分析优化环境来设计控制回路,CONDUIT被使用于评估和优化控制律增益,同时适合宽泛的稳定性,性能要求,操纵能力,以及如作动器速率等硬件限制的变化,Theresultingclosed-loopmodelsmaybeflowninaworkstation-based,real-time,pilotedsimulation(theReal-timeInteractivePrototypeTechnologyIntegration/DevelopmentEnvironment,RIPTIDE)toevaluatequalitativeaspectssuchascontrolsensitivityandcontrolmodetransitions.6TheRIPTIDEfacilityatNASAAmesisequippedwithapanoramicprojectiondisplaysystemandanelectromechanicalbackdrivencycliccontrollertoprovideadditionalfidelitytothisotherwiselow-costfixed-basepilotedsimulationtool.结果的闭环模型放入一个基于工作站的实时,用模拟驾驶(实时交互技术,集成/研发的环境)来评估性能,比如控制敏度,控制模式转换,RIPTIDE设施装备有全景的目标展示系统和机械电子的变距控制器,来提供更多的仿真度给这个低费用,固定驾驶模拟器.FinalcheckoutandpilotfamiliarizationwiththecontrollawsisaccomplishedusingtheRASCALDevelopmentFacility’shardware-in-the-loopsimulator,7whichincludestheflightcontrolcomputer,evaluationpilotinterface,andhigh-fidelityreal-timenon-linearsimulationsoftheRASCALresearchflightcontrolactuators,sensors,andUH-60dynamics.最终的检查和驾驶员熟悉控制律已经完成,使用RASCAL的人在回路设备,包括飞行控制计算机,评估驾驶界面,RASCAL研究的飞行控制作动器,传感器和UH-60动力学的高仿真度,实时非线性模拟.Priortoapprovaloftheflightcontrolsoftwareforreleasetotheaircraft,itundergoesacontrolledtestandevaluationsequenceintheDevelopmentFacility(DF),afterwhichitisloadedintotheaircraft’sflightcontrolcomputer.Oncethebasicfunctionalityofthesoftwarehasbeencheckedinflight,theflightcontrollawsarevalidatedbyrecordingclosed-looppiloteddoubletsand/orfrequencysweeps.TheseflighttestdataarethenanalyzedusingCIFER?toextractfrequencyresponses.Theflighttesttimehistoriesandfrequencyresponsescanthenbecomparedtotheresponsespredictedbythesimulationmodel.预先批准把飞行控制软件准用于飞行器,在DevelopmentFacility(DF),经历了一个控制测试和评估顺序,然后才安装入飞机的飞行控制计算机,一旦软件的基本功能在飞行中得到检查,飞行控制律得以验证通过记录的闭环或扫频,然后用CIFER软件来分析这些数据,提取出频率响应,然后可以把飞行测试中的时间历程和频率响应和之前模拟模型的作比较.RASCAListhefirstin-houseArmy/NASAprogramtoutilizethefullsuiteofdesktop-to-flighttools.However,theprecedingdescriptionofthedesktop-to-flightprocesshasbeenprovenoutinseveralrecentflightvehicledevelopmentactivitiesconductedwithindustrypartners,includingtheKamanAerospaceBroad-areaUnmannedResponsiveResupplyOperations(BURRO)6000-lbunmannedhelicopter,8theNorthrop-Grumman/SchweitzerFireScoutVerticalTake-offUnmannedAerialVehicle(VTUAV),9andtheMicrocraftiStar9-inchdiameterunmannedvehicle.10RASCAL是首个军队/NASA的室内项目,利用整套桌面到飞行的工具,然而,前述桌面到飞行过程,最近已经由工业伙伴所承担的的几个飞行器发展活动所证明是合适的,包括BURRO6000-lb无人直升机,诺斯-格鲁曼垂直起飞无人飞行器,微航-9英寸,无人机.RASCALFlightControlComputerTheRASCALResearchFlightControlComputerAssembly(RFCCA)isdividedintotwophysicallysegregatedelements:aFlightControlComputer(FCC)andaServoControlUnit(SCU).Thisarchitectureallowsagreatdealoffreedominthedevelopmentandtestingofnewflightcontrollaws,whileprotectingtheaircraftandsystemsfromanyunforeseenanomaliesinthosecontrollaws,orinsystemoperation.AsummaryoftheRFCCAisprovidedhere,whilegreaterdetailisavailableinRef.1.RASCAL飞行控制计算机RASCAL研究飞行控制计算机组合(RFCCA)包括两个隔离的物理单元:飞行控制计算机(FCC),伺服控制单元(SCU).这种结构在发展和测试新飞行控制律时,允许许多空间自由,从而在控制律或者系统操作发生未料的异常情况下可以保护飞行器和系统,RFCCA的总结提供于此,其它细节可参考文献1.TheSCUisadualizedsystemthatcomprisestheRFCCA’sinterfacetotheaircraftandisrespo