第6卷第2期 智能系统学报 Vol.6 No.2 2011年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2011 doi:10.3969/i.issn.1673-4785.2011.02.013 舰载机纵向自动着舰控制 彭秀艳，王志文，吴鑫 (哈尔滨工程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001) 摘要：对舰载机纵向着舰控制系统进了分析和研究，根据舰船甲板运动引起舰载机着舰点不断变化的问题，加入 甲板运动补偿环节，并对补偿律进行了设计；对常规的纵向导引控制律进行了改进设计，引入模糊控制.仿真结果表 明，引入甲板运动补偿环节，有效地减小了由于甲板运动造成的着舰误差，提高了着舰的安全性，模糊PD导引控制 律比常规的PD导引控制律具有更好的控制下滑轨迹的能力，更能满足着舰的需要 关键词：自动着舰控制：模糊控制：甲板运动补偿：纵向导引律 中图分类号：TP18:V249.122.5文献标识码：A文章编号：16734785(2011)02-017206 Research on a carrier-based automatic longitudinal aircraft landing control system PENG Xiuyan,WAGNG Zhiwen,WU Xin (College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China) Abstract:A study was conducted on a carrier-based aircraft landing control system.Based on the fact that ship deck motion causes constant changes in the carrier-based aircraft landing points,deck motion compensation seg- ments were added and the compensation law was re-designed.The conventional vertical guidance control law was improved through the introduction of a fuzzy PID guidance control.The simulation results indicate that the carrier- based aircraft landing error was effectively reduced and the security performance of the landing was enhanced with the application of ship deck motion compensation segments.The results also demonstrate that the fuzzy PID direc- tion guidance control law is superior to the conventional PID guidance control law in controlling the carrier-based aircraft gliding routine,better satisfying the requirements of the carrier-based aircraft landing. Keywords:carrier-based aircraft automatic landing control;fuzzy control;deck motion compensation;vertical guidance law 舰载机着舰是一个复杂的过程，其间，舰载机的 规律形成导引指令，通过无线电数据链发送到飞行 飞行姿态时刻发生变化，为使舰载机准确地降落在 控制系统，它的具体实现是由舰载计算机完成的，其 飞行甲板上的阻拦区域内，就必须要求着舰控制系 性能的好坏将直接影响着舰准确性2]. 统具备较高的下滑轨迹控制精度川.而自动着舰系 着舰导引律的设计主要有常规PID控制、线性 统(automatic carrier landing system,ACLS)主要包括 二次型理论、模型跟踪以及特征值配置等方法，这些 飞行控制系统、推力控制系统、甲板补偿系统和着舰 方法都取得了成功的应用，但是也存在明显的缺 导引系统4部分，其中甲板补偿系统的功能是跟踪 点3].这是因为在设计中使用的是系统的近似线性 理想着舰点的变化，保证舰载机在理想着舰点与航 化模型，整定的参数不能随着舰载机飞行状态的改 空母舰的飞行甲板相啮合，为避免产生着舰复飞现 变而满足系统的要求，针对这些方法的不足，以及舰 象，一般在着舰前的12.5s加入补偿指令.着舰导 载机模型的非线性、时变性特点，应寻求更加智能的 引系统的功能是将舰载机飞行的高度偏差按照某种 控制方法. 模糊控制可以在不知道系统精确数学模型的前 提下，根据操作人员的经验，凭借操作人员经验的语 收稿日期：2010-01-15. 通信作者：彭秀艳.E-mail:pygl@163.com 言表达，在实际系统中进行参数的调试和整定4」
第2期 彭秀艳，等：舰载机纵向自动着舰控制 ·173· 实践证明，模糊控制适合于被控变量无精确的表达 航空母舰甲板运动造成的理想着舰点的变化，把理 方法和被控对象的参数之间无法精确描述的情况： 想着舰点的位置变化通过甲板运动补偿系统 在本文中，根据模糊控制对常规PID控制器具有的 (DMC)进行滤波，将得到的甲板运动补偿指令和舰 在线调整参数的能力，对导引控制律进行改进，引入 载飞机的位置信息一起输入到舰载指令计算机，也 模糊控制理论，与常规的PD控制器相结合，组成模 就是纵向导引控制系统，指令计算机将二者相结合， 糊PD控制器.通过仿真，说明了模糊PD比常规 通过纵向控制方程给出着舰高度变化率指令，该指 PD更能有效地改善着舰控制系统的品质，减小着 令通过无线电数据链传递给舰载飞机上的自动飞行 舰误差 控制系统(AFCS)和自动推力控制系统分别操纵升 1自动着舰控制系统的工作原理 降舵和油门，使舰载机按照航迹指令飞行， ACLS控制系统的工作原理是：由海浪引起的 升降舵 白动飞控制系统 甲 Hdt航迹指令 板运动 板运动补偿系统 指令计算机 油」 机纵向模型 推力控制系统 状态输出 传感器 图1自动着舰控制系统框图 Fig.1 Block diagram of the automatic warship control system 式中：G,(s)、G2(s)、G3(s)分别是舵回路、滤波器、 2自动飞行控制系统 助力器的传递函数；K1、K2、K,、K,分别是俯仰角速 纵向着舰控制系统的控制律为 度ω：反馈增益、内回路增益、航迹角（反馈增益、高 6.(s)= 度h增益；五m是综合升降速率输入指令；6.是升降 [h(s)-K6(s)-K,h(s)-Ka.(s)]* 舵偏转角。 K2G1(s)G2(s)G3(s). K.h 飘载 限解器Q一QK一舵路一滤波器 一助力器 机纵 向模 型 & 图2纵向飞行控制系统框图 Fig.2 Longitudinal flight control system block diagram 3 推力控制系统 式中：K3、K4、K。、K分别是控制器迎角a积分增益 迎角增益、迎角：反馈增益和过载几，反馈增益； 推力控制系统控制率方程为 G4(s)和G(s)分别是滤波器传递函数和发动机传 6。=(K。·a-ag+Kw·G4(s)·n,）· 递函数；a,是迎角给定信号；δ(s)是油门偏转角. [K3/s+K4/s+1]·G(s)
·174: 智能系统学报 第6卷 滤波器 飞机 , + 0。 发动机 纵向 8+1 模型 图3推力控制系统框图 Fig.3 Block diagram of the propulsive force control system 广泛的应用们.而舰载机的着舰过程是一个复杂的 4甲板运动补偿系统 过程，舰载机的环境存在着极大的随机性，而常规 甲板运动补偿系统主要是对舰载机下滑轨迹的 PD导引控制律的参数是固定不变的，不能灵活地 控制补偿，对于舰载机的纵向着舰来说，主要是考虑 满足着舰的要求，因此，在此基础上引入模糊控制， 舰体的垂荡和纵摇运动，舰体在垂直方向上的运动 根据模糊控制对常规PD控制器具有的在线调整参 直接影响到理想着舰点高度的变化，对舰载机运动 数的能力，对纵向导引控制律进行改进，与常规PD 的补偿就是根据理想着舰点在垂直方向上的高度变 相结合，组成模糊PD控制器. 化，使其经过补偿滤波器形成指令信号).甲板运 模糊控制器选取的输入变量是理想着舰点的高 动补偿指令仅在着舰的最后阶段才作用于舰载机， 度与舰载机实际高度间的偏差e和它的偏差变化率 般是在着舰前的12.58，以保证舰载机有足够的 ec,输出为PID参数的修正量△Kp、△K、△Kp,这5个 时间使姿态发生相应的变化，改变其下降轨迹以跟 变量对应的模糊语言集是NB(负大)、NM(负中)、 踪甲板的运动，因此采用超前网络来获得控制系统 NS（负小)、Z0(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正 对甲板运动的超前响应，进行开环补偿6 大)，5个变量e、e。、△Kp、△K、△Kb的基本论域分别 在中等海况下，甲板运动的纵摇运动可以表示 为[-3,3]、[-3,3]、[-3.5,3.5]、[-3.5,3.5]、 为2 [-3.5,3.5],根据军用ML-F-8785C标准取偏差e 0.(t)0.5sin0.6t+0.3sin0.63t+0.25. 和其偏差变化率e.取值范围分别为[-3,3]、[-3， 甲板运动的垂荡运动可以表示为2] 3]、△Kp、△K、△K,的取值范围分别为[-9，+9]、 h,(t)=1.22sin0.6t+0.305sin0.2t. [-6,+6]、[-3,3],所以对应的比例因子为k。= 甲板运动的补偿模型为 3/10,k。.=3/10,量化因子P4x。=3/9,Px1=2/6, Hwc=五，(t)-0.5Xs0,(t). P4w。=1/3,选择变量的隶属度函数为均匀三角形. 式中：X。是理想着舰点到舰船飞行甲板艉突的距 本文中，选取误差和误差变化率作为模糊PD 离。 控制器的输入，每个输入选取7个语言变量，这样共 5纵向导引系统 能提取49条模糊规则，其基本结构为 l)if e is PB and e。isPB,then△Kp is NB,△k,is 纵向导引系统是将雷达测量出的舰载机高度和 PB,△Kp is PB; 规定下滑高度的差值，以及甲板运动补偿指令一起 2)if e is NB and e。isNB,then△Kp is PB,△Kis 形成舰载机的姿态控制指令.从20世纪50年代美 NB,△Kp is PS. 国研制的AN/SPN-10型雷达全自动着舰控制系统 剩下的47条规则也是按照上面的原则提取的， 开始一直到现在，着舰导引控制的方程基本形式就 在初步制定了规则之后，用于着舰控制系统的仿真， 基本没有变化，PD(比例-积分-微分)控制器一直 根据仿真结果，不断地调整规则，最终得到了49条 是其控制的核心，常规PD设计的算法和控制结构 规则如表1、表2、表3所示 都不复杂，且控制效果比较令人满意，在工程上得到
第2期 彭秀艳，等：舰载机纵向自动着舰控制 ·175· 表1△K,的模糊规则表 在表1~3所得的模糊控制规则基础上，系统实时 Table 1 Fuzzy rules of AKp 的参数取值应分别为K,+△K、K+△K1、K,+△Kp,其 ec △Kp 中K,、K、K,是已整定的初始PID参数. -3-2-10 123 -3 332210 0 6仿真实例 -2 3 3 21 10 -1 F/A-18A型号舰载机在海平面高度上飞行状态 -1 2 2 2 1 0 -1 -1 下的纵向线性化状态方程为 0 2 1 0-1 -2 -2 e 0-1 -1 -2 -2 2 1 0 -1 -2 -2 -2 -3 3 0 0 -2 -2 -2 -3 -3 表2△K的模糊规则表 r-0.07493.3246 -9.8208 0 -0.000060 Table 2 Fuzzy rules of AK -0.0045 -0.3431 0 0.9915 0.000016 ec 0 0 0 1 0 △K -3-2-10 123 0.0029 -1.1659 0 -0.2544 0 -3 -3 -3-2-2-1 0 0 0 -70 70 0 0 -2 -3 -3 -2 -1 -1 0 0 0.8468 16.2116 -1 -3 -2 -1 -1 0 1 1 a -0.0719 -0.0340 0 -2 -2 -1 0 1 e 0 0 1 -2 -1 0 1 1 2 3 -1.81452 0.0022 2 0 0 1 1 2 3 3 h 0 0 3 0 1 2 2 3 3 舰载机的进舰速度是V。=66.15m·g1,下滑 轨迹角是-3.5°，船舰沿着斜角甲板中心线航行，速 表3△K,的模糊规则表 度为15.3m·81,下滑通道入口处到理想着舰点 Table 3 Fuzzy rules of AKp 的水平距离是1233m,甲板补偿指令在着舰前12. ec 5:时加入，假设航空母舰的垂荡运动的初始相位是 △KD -3-2-1012 3 0,纵摇运动的初始相位超前垂荡运动45°，根据上 -3 1 -1 -3 -3-3 -2 1 面对着舰控制系统各环节的讨论，对整个控制系统 -2 1 -1 -3 -2 -2 -1 0 进行闭环仿真.可以得到不带甲板运动补偿环节的 -1 0 -1 -2 -2 -1 -1 0 ACLS输出响应曲线(a)和带甲板运动补偿环节的 0 0 -1 -1 -1 -1 -1 0 ACLS输出响应曲线(b),如图4所示. 1 0 0 0 0 0 0 0 2 3 -1 1 1 3 2 1 1 在模糊规则制定之后，接着就要进行模糊推理， 采用Mamdani型模糊推理算法.设模糊控制器的输 入模糊量为：e是A,e。是B,则根据模糊规则进行近 似推理，可以得到输出模糊量u(用模糊集合C表 示)为： 飞机运动 R:=(A:andB:)→c --印板运动 -2 R=出R: 30 5 10 R:=(A:andB:)→C 其中包含了3种主要的模糊逻辑运算：“and” (a)无甲板运动补偿系统 运算、“U”合成运算和“→”蕴含运算
·176· 智能系统学报 第6卷 2.5 1. 2.0 1.0 飞机运动 1.5 0.9 甲板运动 0.8 1.0 0.7 0.5 0.6 0 0.5 0.4 0.5 0.3 -1.0 8121620 t/s -1.5 图7K,调节曲线 5 10 15 tis Fig.7 The Kp adjustment curve (b)有甲板运动补偿系统 图4有无甲板运动补偿系统的输出响应曲线 Fig.4 No and have deck to move back-off systematic output response curve 由图4可以看出来，在加入所设计的甲板运动 补偿环节以后，舰载机在下滑着舰过程中，可以很好 101520 t/s 地跟踪上甲板的运动，有效地减小了由于甲板运动 图8模糊PID控制下的俯仰角的响应曲线 造成的着舰误差，提高了着舰的安全性. Fig.8 Fuzzy PID controlling lower angle of pitch re- 在模糊PD控制的纵向导引律控制之下，3个 sponse curve 参数的初始值Kp=0.4002,K1=0.004,Kp=1.1,经 过在线调参可以得到3个参数的输出曲线如图5~ 7,此时的俯仰角、迎角的响应曲线分别为图8~9所 示 0.43 0.41 0.39 101520 1/s 0.37 图9模糊PD控制下的迎角的响应曲线 0.35 Fig.9 Fuzzy PID controlling lower angle of incidence 0.330 4 8121620 response curve t/s 为便于比较，在常规PD导引律下，3个参数的 图5K,调节曲线 初始值也是K,=0.4002,K=0.004,K,=1.1,此时 Fig.5 The Kr adjustment curve 的俯仰角、迎角的响应曲线分别为图10、11所示. 2.5 0.018 2.0 0.014 1.5 0.010 1.0 0.5 0.006 46810 0.0020 4 8121620 t/s t/s 图10常规PD控制下的俯仰角响应曲线 图6K,调节曲线 Fig.10 Routine PID controls lower angle of pitch re- Fig.6 The K,adjustment curve sponse curve
第2期 彭秀艳，等：舰载机纵向自动着舰控制 。177. 2.0 [4]席爱民.模糊控制技术[M].西安：西安电子科技大学出 1.5 版杜，2008：65-92. 1.0 [5]吴森堂，费玉华.飞行控制系统[M].北京：北京航空航 0.5 天大学出版社，2005：125-127. 0 [6]石明，屈香菊.甲板运动对舰载机人工着舰的影响和补 0.5 偿[J].飞行力学，2006,1：5-8. -1.0 6 10 SHI Ming,QU Xiangju.The influence and compensation of t/s deck motion in carrier landing approach[].Flight Dynam- 图11常规PD控制下的迎角响应曲线 ic8,2006,1:5-8. Fig.11 Routine PID controls lower angle of incidence [7]陈华坤，章卫国，刘长林.舰载机纵向自动着舰控制系统 response curve 设计[J].弹舰与制导学报，2007,1：73-76. 比较图8和图10、图9和图11，相比于常规PID CHEN Huakun,ZHANG Weiguo,LIU Changlin.Design of 控制方法，在模糊PD控制方法下的系统达到稳定 automatic control system for longitudinal landingon carrier [J].Journal Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance, 的时间变小，超调也相应地减小，动态性能得到了提 2007,1:73-76. 高，图5~7可以看出PD参数在仿真过程中也始终 [8]杨建新，杜永贵.模糊自适应PID控制及其仿真[J].机 满足设计要求 械工程与自动化，2006,5：110-113. 7结束语 YANG Jianxin,DU Yonggui.Self-adaptive tuning of fuzzy PID controller and it s simulation[J].Mechanical Engineer- 本文讨论了自动着舰控制系统的各个分系统， ing and Automation,2006,5:110-113. 着重对甲板运动补偿系统和纵向导引控制律进行了 [9]彭兢.舰载飞机进舰着舰的自动引导和控制研究[D].北 分析，仿真结果说明了在有甲板运动补偿环节的情 京：北京航空航天大学，2001：25-28， 况下，舰载机可以很好地对甲板运动进行跟踪，诚小 PENG Jing.Carrier-based aircraft carrier landing ship into 着舰误差.在常规PD控制的基础上，通过引入模糊 the automatic guidance and control[D].Beijing:Beijing U- niversity of Aeronautics and Astronautics,2001:25-28. 控制，对着舰导引律进行了改进，仿真结果说明了模 [10]CRASSIDIS J L,MOOK D J.Robust control design of an 糊控制适用于舰载机着舰控制这一复杂系统，模糊 automatic carrier landing system[J].AIAA-92-4619-CP. PD控制器的性能比常规PID控制器有明显的改 作者简介： 善，其响应时间加快，超调减小，动态性能得到了提 彭秀艳，1962年，女，教授，研究方 高，其具有的在线调参的能力，使其更能满足着舰的 向为随机系统估计与控制；复杂系统建 要求 模及预测.近年来获省部科技进步奖5 项，发表文章40余篇.其中多篇被EI 参考文献： ISTP检素. [1]张明廉，徐军.舰载飞机自动着舰系统的研究[J].北京 航空航天大学学报，1994,20(4)：386391. ZHANG Minglian,XU Jun.Studies on automatic carrier 王志文，男，1978年生，博士，主要 landing system for carrier aircraft[J].Journal of Beijing U- 研究方向为船舶运动智能控制方法、船 niversity of Aeronautics and Astronautics,1994,20(4): 舶运动控制系统设计、船舶运动控制方 386-391. 法研究 [2]郭锁凤，申功勋.先进飞行控制系统[M].北京：国防工 业出版社，2003：206-244. [3]LIU Bo,SHEN Qinghua.Elementary discussion of flight con- trol technology[J].Flight Dynamics,2007,25(2):6-8