基于飞机总能量控制系统(TECS)的飞行航迹、速度解耦控制方法研究

### 基于飞机总能量控制系统(TECS)的飞行航迹、速度解耦控制方法研究 #### 一、引言 飞机总能量控制系统（Total Energy Control System, TECS）是一种用于固定翼飞机的先进飞行控制策略。它通过管理飞机的总能量（包括动能和势能），来实现对飞行轨迹和速度的精确控制。传统的飞行控制方法通常难以有效地分离飞机的飞行轨迹控制和速度控制，尤其是在低动压条件下，这种耦合现象更为严重。为了克服这一问题，研究者们提出了基于TECS的飞行轨迹与速度解耦控制方法。 #### 二、基于飞机总能量控制的飞行轨迹与速度解耦控制理论 **1. 飞机总能量方程** 飞机的总能量ET由动能和势能组成，可以通过以下方程表示： \[ ET = \frac{1}{2} G g V^2 + G h \] 其中，\( ET \)为飞机总能量；\( G \)为飞机重量；\( g \)为重力加速度；\( V \)为空速；\( h \)为飞行高度；\( Χ \)为航迹角。 飞机的能量变化率 \( E_{\alpha} \)可以通过下式表示： \[ E_{\alpha} T = G V \left( \frac{V_{\alpha}}{g} + \frac{h_{\alpha}}{V} \right) \] 当飞行处于小航迹角状态时，可以近似地表示为： \[ Χ ≈ \frac{h_{\alpha}}{V} \] 从而得到能量变化率的简化表达式： \[ E_{\alpha} > \left( \frac{V_{\alpha}}{g} \right) + Χ \] **2. 解耦控制原理** 为了解决飞行轨迹与速度之间的耦合问题，研究者们提出了基于TECS的解耦控制方法。该方法的核心思想是通过调整推力和升降舵的位置，来独立控制飞行轨迹和速度的变化。具体来说，可以通过控制推力的变化量 \( ∃T_c \) 来改变飞机的能量变化率 \( E_{\alpha} e \)，从而实现对速度的精确控制；同时，通过升降舵的角度变化 \( ∆e_c \) 来调整能量分配率 \( L_{\alpha} e \)，进而实现对飞行轨迹的独立控制。 控制推力与能量变化率的关系可以通过比例-积分控制律来实现： \[ T_c = K_{tP} + \frac{K_{tI}}{S} E_{\alpha} e \] 其中，\( K_{tP} \)为比例系数，\( K_{tI} \)为积分系数，\( T_c \)为飞行状态改变后系统期望的推力。 对于升降舵角度的控制，同样可以使用类似的比例-积分控制律： \[ ∆e_c = K_{eP} + \frac{K_{eI}}{s} L_{\alpha} e \] 其中，\( K_{eP} \)为比例系数，\( K_{eI} \)为积分系数。 #### 三、实验验证 研究者选取了某型飞机在低动压条件下的六组典型飞行状态进行了解耦控制律的设计和仿真。这些飞行状态包含了飞机参数的不确定性信息（如油量的变化）以及外界干扰的不确定性（如地面效应）。通过对这六组状态的仿真结果分析，结果显示，在所有的六组状态下，飞机均能够达到预定的解耦控制标准。这表明所设计的控制律对于飞机不确定性具有良好的鲁棒稳定性。 #### 四、结论 基于飞机总能量控制系统的飞行轨迹与速度解耦控制方法通过结合偏差控制与解耦理论，成功地实现了对飞行速度和飞行高度的无稳差控制。这种方法不仅提高了飞机的纵向机动性能和着陆精度，而且对于飞机参数和外界干扰的不确定性具有较好的适应性和鲁棒性。未来的研究方向可以进一步优化控制律的设计，以应对更复杂多变的飞行环境和条件。