动力学系统边界及飞机失控机理与保护

　　航空器飞行中失控已成为威胁飞行安全的主要因素，目前相关研究没有形成完善的理论体系，对此，《动力学边界控制及飞机失控机理与保护》从非线性稳定域的角度对航空器飞行中失控的机理及防治措施进行研究。《动力学边界控制及飞机失控机理与保护》以飞机动力学模型、环境影响模型为基础，研究了飞机动力学边界的确定方法，系统地提出了一套基于动力学边界控制的失控防治理论和方法，搭建了飞行训练仿真系统，将理论成果应用于工程实践。《动力学边界控制及飞机失控机理与保护》基于飞控系统现行的 PID 控制形式，开辟了新型动力学边界控制及控制参数设计技术途径，为航空器飞行中失控的防治提供新的思路。

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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 失控事故研究分析 2
1.3 安全包线及防护措施研究现状 6
1.3.1 失控量化理论 7
1.3.2 基于平衡状态分析的操纵包线确定及应用 8
1.3.3 可达性分析及保护方法研究现状 11
1.3.4 稳定域及保护方法研究现状 17
1.3.5 参数限制边界保护控制方法 20
1.3.6 文献总结与分析 22
1.4 本书主要内容 23
第2章 飞机非线性动力学模型 25
2.1 飞机六自由度动力学模型 25
2.1.1 NASA GTM飞机 25
2.1.2 动力学模型 26
2.1.3 运动学模型 27
2.2 力及力矩模型 28
2.2.1 气动力及力矩模型 28
2.2.2 发动机推力及力矩模型 30
2.3 控制律设计 31
2.4 环境影响因素 31
2.4.1 结冰模型 32
2.4.2 阵风模型 33
2.5 仿真模型有效性验证 33
2.5.1 着陆过程仿真 33
2.5.2 阵风对飞行安全的影响 35
2.5.3 机翼结冰对飞行安全的影响 36
2.6 本章小结 37
第3章 基于流形理论的飞机动力学边界确定 38
3.1 稳定域相关基本概念 38
3.2 飞机的动力学边界 39
3.3 基于流形理论的动力学边界确定 40
3.3.1 流形理论 41
3.3.2 稳定流形计算方法 41
3.3.3 计算方法精确性验证 42
3.4 Monte Carlo稳定域计算方法及其改进方法 45
3.4.1 传统Monte Carlo稳定域计算方法 46
3.4.2 改进Monte Carlo稳定域计算方法 47
3.4.3 改进Monte Carlo稳定域计算方法的优越性 49
3.5 基于动力学边界的失控问题分析 50
3.5.1 干净飞机动力学边界确定 50
3.5.2 机翼结冰飞机的动力学边界确定 53
3.5.3 失控问题分析 54
3.6 本章小结 56
第4章 动力学边界控制 58
4.1 控制特征对动力学边界的影响 58
4.1.1 控制参数变化对动力学边界的影响规律 59
4.1.2 控制指令变化对动力学边界的影响规律 60
4.1.3 动力学边界控制概念 61
4.2 基于动力学边界控制的失控保护理念 61
4.3 稳定域的扩张控制 64
4.3.1 稳定域与反向可达集的联系 64
4.3.2 可达集计算稳定域的特性 66
4.3.3 受控系统稳定域的扩张条件 67
4.4 稳定域的移动控制 71
4.4.1 动力学系统的移动特性 71
4.4.2 受控系统稳定域的移动条件 72
4.5 基于单机无穷大系统的稳定域控制验证 73
4.5.1 稳定域大小控制条件的验证 75
4.5.2 稳定域位置控制条件的验证 76
4.6 动力学边界控制方法 78
4.6.1 动力学边界的大小控制方法 78
4.6.2 动力学边界的移动控制方法 79
4.7 本章小结 81
第5章 基于动力学边界控制的飞行安全预警方法研究 82
5.1 飞行安全预警方法 82
5.2 基于二分法的飞行风险量化 84
5.3 基于矩阵分析的飞行安全量化方法 85
5.3.1 矩阵分析量化方法 85
5.3.2 矩阵分析量化方法精确性验证 86
5.3.3 矩阵分析量化方法局限性分析 87
5.4 基于BP神经网络的飞行安全量化方法 89
5.4.1 BP神经网络量化方法 90
5.4.2 BP神经网络量化方法可行性验证 91
5.5 基于安全预警方法的事故案例分析 92
5.5.1 阵风诱导失控案例 92
5.5.2 结冰诱导失控案例 93
5.6 本章小结 96
第6章 基于动力学边界控制的失控保护策略研究 97
6.1 失控保护系统设计理念 97
6.2 增益调度控制与动力学边界的联系 99
6.2.1 增益调度控制律设计 100
6.2.2 基于增益调度控制律的动力学边界特性 102
6.3 基于动力学边界扩张控制的失控保护策略 104
6.3.1 动力学边界扩张控制律设计 104
6.3.2 阵风情况下边界保护案例 107
6.3.3 结冰情况下边界恢复案例 111
6.4 基于动力学边界移动控制理论的失控安全操纵策略 115
6.4.1 基于动力学边界移动控制理论的自动控制策略 115
6.4.2 基于动力学边界移动控制理论的驾驶员操纵策略 117
6.4.3 阵风情况下驾驶员操纵应对策略 119
6.5 基于动力学边界控制的安全应对策略 120
6.6 本章小结 122
第7章 基于动力学边界控制的飞行控制律设计方法 123
7.1 横航向动力学建模 123
7.2 本体动态特性及增稳 125
7.3 横航向执行机构非线性特性对稳定边界的影响 127
7.4 基于静不稳定航空器大稳定边界的控制能力优化研究 133
7.5 稳定边界与常用频域设计指标关联规律研究 136
7.6 本章小结 141
第8章 基于动力学边界控制的飞行训练仿真系统设计 142
8.1 飞行训练仿真系统 142
8.2 系统设计及相关的技术保障 144
8.2.1 动力学边界数据库构建 144
8.2.2 实时安全系数显示 146
8.2.3 实时驾驶员操纵安全提示 146
8.2.4 视景处理 147
8.2.5 实时结冰模型 147
8.2.6 训练数据存储与处理 147
8.2.7 界面设置 148
8.3 飞行训练仿真系统功能 149
8.3.1 着陆训练 149
8.3.2 训练结果及事故分析 150
8.3.3 结冰安全着陆训练 152
8.4 本章小结 155
参考文献 156