工程系统定性理论及其在飞行控制中的应用

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31463

电子电气工程与控制

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工程系统定性理论及其在飞行控制中的应用

史忠科()

西北工业大学自动化学院，西安 710072

收稿日期:2024-10-30 修回日期:2024-11-18 接受日期:2024-11-29 出版日期:2024-12-20 发布日期:2024-12-10
通讯作者: 史忠科 E-mail:zkeshi@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(61933010)

Qualitative theory for engineering system and its application to flight control

Zhongke SHI()

School of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China

Received:2024-10-30 Revised:2024-11-18 Accepted:2024-11-29 Online:2024-12-20 Published:2024-12-10
Contact: Zhongke SHI E-mail:zkeshi@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61933010)

摘要/Abstract

摘要：

同一工程系统存在的系统输入受限、模型的不确定性、环境干扰输入、系统突变或出现系统故障等工程问题，传统的状态能控性、能观测性等定性理论难以用于工程实际。为此，通过对系统模型不确定性的描述，分析了传统系统状态能控性、能达性存在的问题，通过对飞机舵机的系统输入受限、阵风等运行环境干扰产生的额外输入、飞机重载空投或空天飞机分离等系统突变或者系统故障进行模型描述，研究了系统在不同情况下的能控性、能稳性的判定问题，在此基础上提出了同一系统的状态、输出工程一致能控性的定义、判定方法，同时给出了系统状态、输出的工程一致能观测性定义。研究结果能够统一传统的系统能控性、能达性、能稳性判定，而且与经典控制中快速性、准确性判定具有相似性。针对高性能飞行器研制，给出了设计、风洞与飞行试验的分析、验证要求，通过实际纵向飞行控制器的设计结果对工程一致能控性进行了说明。

关键词: 能控能观测性, 控制系统定性理论, 工程定性理论, 飞行控制, 非线性控制

Abstract:

In engineering systems， challenges such as constrained system inputs， model uncertainties， environmental disturbance inputs， system mutations， or system failures often arise， making traditional qualitative theories like state controllability and observability difficult to apply. This paper describes the issues of traditional system state controllability and reachability through the analysis of model uncertainties. By modeling scenarios such as input constraints in aircraft actuators， additional inputs from environmental disturbances like gusts， system mutations during heavy airdrop or aerospace vehicle separation， and system failures， the paper investigates the controllability and stability determination for systems under these different conditions. On this basis， the paper proposes definitions and determination methods for the engineering consistent controllability of system states and outputs within the same system， and also provides a definition for the engineering consistent observability of system states and outputs. These conclusions are able to unify traditional judgments on system controllability， reachability， and stability， and are analogous to the rapidity and accuracy determinations in classic control. For the development of high-performance aircraft， the paper outlines the analysis and verification requirements for design， wind tunnel， and flight tests. An explanation of engineering consistent controllability is provided through the design results of an actual longitudinal flight.

Key words: controllability and observability, qualitative theory of control systems, qualitative theory for engineering, flight control, nonlinear control

中图分类号:

V249.1

史忠科. 工程系统定性理论及其在飞行控制中的应用[J]. 航空学报, 2025, 46(6): 531463.

Zhongke SHI. Qualitative theory for engineering system and its application to flight control[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(6): 531463.

图/表 3

图1

表1

升降舵偏角及导数时间历程对比

时间/s	$δ e 1 / r a d$	$δ ˙ e 1 / (r a d ⋅ s - 1)$	$δ e 2 / r a d$	$δ ˙ e 2 / (r a d ⋅ s - 1)$	$δ e 3 / r a d$	$δ ˙ e 3 / (r a d ⋅ s - 1)$
0.02	-0.054 233 4	-0.124 691 7	0.054 233 6	-0.124 687 6	-0.542 332	-0.124 695 8
0.04	-0.052 753 7	0.173 381 1	0.052 751 4	0.173 598 0	-0.527 560	0.173 164 3
0.06	-0.043 657 5	0.499 070 9	-436 444	0.499 717 0	0.043 670 5	0.498 425 3
0.08	-0.026 015 9	0.831 584 1	0.025 977 9	0.832 849 2	-0.260 540	0.830 319 9
0.10	0.000 358 7	1.134 531 0	0.000 441 0	1.136 523 0	0.000 276 5	1.132 540 7
0.12	0.034 431 7	1.359 369 7	0.034 579 6	1.362 053 8	0.034 283 9	1.356 687 9
0.14	0.073 636 5	1.456 832 3	0.073 869 0	1.460 004 4	0.073 404 2	1.453 663 1
0.16	0.113 994 2	1.394 064 3	0.114 322 7	1.397 393 1	0.113 666 0	1.390 738 7
0.18	0.15	1.169 074 2	0.15	1.172 563 0	0.15	1.165 589 8
0.20	0.15	0.861 376 6	0.15	0.865 407 4	0.15	0.857 352 5
0.22	0.15	0.499 617 5	0.15	0.503 907 9	0.15	0.495 336 4
0.24	0.15	0.111 967 0	0.15	0.116 296 3	0.15	0.107 650 3
0.26	0.15	-0.273 963 5	0.15	-0.269 869 3	0.15	-0.278 041 6
0.28	0.15	-0.632 450 1	0.15	-0.628 906 0	0.15	-0.635 974 0
0.30	0.15	-0.940 244 8	0.15	-0.937 594 1	0.15	-0.942 871 0
0.32	0.139 984 2	-0.168 574 2	0.141 140 2	1.168 149 8	0.138 832 0	-0.168 974 6
0.34	0.105 589 6	-0.250 468 6	0.106 690 9	1.253 141 8	0.104 492 5	-0.247 785 7
0.36	0.070 818 2	-0.214 563 4	0.071 801 8	1.219 221 1	0.069 838 9	-0.209 910 5
0.38	0.038 799 2	-0.089 366 4	0.039 625 8	1.095 041 6	0.037 976 4	-0.083 707 1

表1

图2

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工程系统定性理论及其在飞行控制中的应用

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