本發明涉及自動飛行控制，特別提供了一種基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法。

背景技術：

1、一直以來，固定翼飛機包括民航客機、軍用飛機以及無人機，它們都必須執行起飛/著陸程序，固定翼飛機的著陸控制是一項非常困難的任務，在著陸過程中會發生許多事故。設計具有對外部干擾具有魯棒性和精確性控制能力的自動著陸系統，是一項具有挑戰性的任務。隨著航空技術的進步和民航需求的增長，高度自動化的飛行控制系統成為航空領域的研究重點。自動著陸系統尤其重要，它在低能見度和惡劣天氣等復雜飛行條件下能夠顯著提高飛行的安全性和操作效率。

2、因此，需要一種基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法。

技術實現思路

1、本申請的目的在于為了解決現有技術中對具有對外部干擾具有魯棒性和精確性控制能力的自動著陸系統的需要，提出一種采用外環pid控制與內環mpc控制相結合的控制方法以提升飛機安全自動著陸的有效性。

2、為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，包括如下步驟：

3、s1：建立飛機縱向運動自動著陸數學模型；

4、s2：在飛機進行準備著陸之后獲取飛機各個階段縱向運動軌跡跟蹤指令，將這些信號送入到外環pid控制器中進行準確跟蹤并生成目標俯仰角θg指令；

5、s3：將外環pid控制器輸出的目標俯仰角θg和飛機運動的目標速度vg發送到內環mpc控制器作為內環控制的輸入，得到控制飛機油門桿的指令δt和升降舵的指令δe；

6、s4：根據控制器輸出的控制飛機油門桿的指令δt和升降舵的指令δe和s1建立的飛機縱向運動自動著陸數學模型，獲取飛機的實時動態信號，以實現對飛機自動著陸的控制。

7、本發明所提供的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，還具有這樣的技術特征，所述s1包括：

8、根據線性擾動運動分離原則，在平衡點處進行線性化處理和解耦處理，得到連續域縱向運動狀態空間方程為：

9、

10、其中，δv為飛機的速度增量、δα為飛機的迎角增量、δq為飛機的機體俯仰角速度增量、δθ為飛機的俯仰角增量，δδe為飛機升降舵偏角輸入增量，δδt為飛機油門桿輸入增量，xv,zα,mv,xα,zv,mα,mq,xθ為飛機縱向狀態矩陣系數。

11、本發明所提供的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，還具有這樣的技術特征，所述飛機各個階段包括高度保持階段、下滑道階段、拉平控制階段以及低機頭階段。

12、本發明所提供的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，還具有這樣的技術特征，所述s2包括：

13、在高度保持階段采用高度保持控制律算法，高度保持階段的目標俯仰角θg1指令為：

14、θg1＝k1*hdote+k2*∫hdotedt

15、hdot_e＝k3(hg-h)-hdot

16、其中，hg為目標高度，hdot為飛機實時垂直速度，h為飛機實時高度，k1為比例系數、k2為積分系數；

17、在下滑道階段采用下滑道控制律算法，下滑階段目標俯仰角θg2指令為：

18、θg2＝k1*hdote+k2*∫hdotedt

19、hdot_e＝γ-vdtanγ-hdot

20、其中，γ為下滑道角偏差，hdot為飛機實時垂直速度，vd為地速；在拉平控制階段采用拉平控制律算法，拉平階段目標俯仰角θg3指令為：

21、θg3＝kh*h+hdotd-hdot

22、其中，hdotd為觸地垂直速度，kh為拉平系數；

23、在低機頭階段采用低機頭控制律算法，低機頭階段目標俯仰角θg4指令為：

24、θg4＝kθ

25、其中，kθ為目標俯仰角。

26、本發明所提供的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，還具有這樣的技術特征，所述內環狀態mpc控制律包括：

27、將s1中所述連續域縱向飛機狀態空間方程以0.02秒的任務周期進行離散化處理，定義縱向和側向狀態變量參數：

28、xp＝[δvδαδqδθ]t

29、定義縱向控制輸出參數：

30、up＝[δδeδδt]

31、定義指令的跟蹤誤差為

32、ep＝xp-xd

33、式中，xd表示軌跡指令的目標值，期望飛機可以按照目標俯仰角θg和目標速度vg飛行，在穩態飛行時，一般設定飛機的δα和δq為0，則，

34、xd＝[vg?0?0θg]

35、縱向控制最優控制的代價函數如下：

36、

37、定義縱向控制狀態量權重系數qp和控制量權重系數rp如下：

38、

39、縱向控制約束矩陣如下：

40、其中gp和hp為已知矩陣，則矩陣u的約束為：

41、

42、有益效果

43、本申請采用外環軌跡跟蹤pid控制以及內環姿態模型預測控制(mpc)的分層控制方法，mpc作為一種先進的控制策略，在處理多變量系統、優化目標控制以及約束條件下的實時調度方面表現出顯著優勢。模型預測控制(mpc)方法因其強大的預測能力和在線優化特性，特別適用于動態變化的復雜環境。

44、本發明所提供的自動著陸控制方法，可以較大的提升飛機自動著陸的穩定性，它易于在工程上實現，并可轉化為軟件需求進行編碼和調試，具有較強的工程實踐意義。

技術特征：

1.一種基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.根據權利要求1所述的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，其特征在于：所述s1包括：

3.根據權利要求1所述的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，其特征在于：所述飛機各個階段包括高度保持階段、下滑道階段、拉平控制階段以及低機頭階段。

4.根據權利要求3所述的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，其特征在于：所述s2包括：

5.根據權利要求1所述的基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，其特征在于：所述內環狀態mpc控制律包括：

技術總結
本申請提供了一種基于固定翼飛機縱向運動自動著陸的分層控制方法，涉及自動飛行控制技術領域。本申請采用外環軌跡跟蹤PID控制以及內環姿態模型預測控制(MPC)的分層控制方法，MPC作為一種先進的控制策略，在處理多變量系統、優化目標控制以及約束條件下的實時調度方面表現出顯著優勢。模型預測控制(MPC)方法因其強大的預測能力和在線優化特性，特別適用于動態變化的復雜環境。該自動著陸控制方法，可以較大的提升飛機自動著陸的穩定性，它易于在工程上實現，并可轉化為軟件需求進行編碼和調試，具有較強的工程實踐意義。

技術研發人員：曹添,潘兆磊,王興,張治國
受保護的技術使用者：蘭州飛行控制有限責任公司
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28