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基于非线性动态逆的水上飞机着水控制策略研究

摘要

水上飞机在我国应急救援体系和自然灾害防治体系建设方面具有重要地位。相比于

陆基飞机，水上飞机着水时承受了复杂的着水撞击载荷，需要满足更严苛的指标，水上

飞机自动着水是未来的发展趋势。因此，研发一种能够实现水上飞机全天候、高海况条

件下的自动着水控制系统是十分重要的。本文开展了基于非线性动态逆的水上飞机自动

着水控制策略研究。具体研究内容如下：

首先，介绍了某新型水上飞机基本参数，基于机体系和气流系两种坐标系选取了不

同的状态变量，分别建立了12阶全量状态方程以描述水上飞机六自由度运动。在配平

态与升降舵满偏两种初始状态下对两组运动方程进行无控飞行仿真实验，实验结果表明

两组运动方程具有一致性。

其次，分别以气流系姿态角和机体系姿态角为外回路被控变量，以角速度为内环被

控变量，设计了时标分离的姿态控制系统。针对非线性动态逆算法在存在模型不确定性

及外界扰动时控制效果变差的问题，在角速度回路设计了增量式动态逆控制律，以舵面

增量作为角速度回路逆控制器的输出。完成了在无扰动与存在复合扰动情况下的姿态控

制仿真。仿真结果证明，在角速度回路存在模型不确定性与外界扰动的情况下，增量式

动态逆均能实现姿态角指令跟踪，跟踪效果优于传统动态逆。

然后，依据水上飞机着水控制指标针对性的设计了着水过程，分为下滑段、拉平段

以及接水段。以姿态控制为内环，航迹、位置控制为外环，设计了基于非线性动态逆的

水上飞机着水控制系统。针对传统动态逆姿态控制对俯仰姿态调节过慢的问题，引入分

数阶控制技术，设计了基于分数阶控制的逆控制器对着水控制系统进行改进。仿真结果

表明该着水控制系统能实现水上飞机自动着水，使水上飞机在理想着水点位置变化的情

况下，满足着水控制指标。

最后，针对复杂海况下迎角和侧滑角受扰动剧烈，进而对慢回路产生扰动影响姿态

控制效果的问题，在慢回路各通路引入非线性干扰观测器，其目的在于对存在逆误差的

非线性动态逆控制律进行补偿。在慢回路存在正弦型复合扰动和阶梯型复合扰动下分别

进行了对比仿真实验，仿真结果表明，非线性干扰观测器能对复合扰动进行快速准确的

估计，有效补偿了复合扰动引起的逆误差。

关键词：水上飞机；非线性动态逆；增量式动态逆控制；自动着水；干扰观测器

基于非线性动态逆的水上飞机着水控制策略研究

Abstract

SeaplaneisessentialinconstructingChinasemergencyrescueandnaturaldisaster

preventionandcontrolsystems.Comparedwithland-basedaircraft,seaplaneissubjectedto

complexwaterimpactloadswhenwaterlanding.Seaplaneneedtomeetmorestringent

indicators.Automaticwaterlandingofseaplanesisthefuturedevelopmenttrend.Therefore,

developinganautomaticseaplanewaterlandingcontrolsystemisessentialtoachieveall-

weatherandhighseastateconditions.Thispaperresearchestheautomaticseaplanewater

landingcontrolstrategybasedonnonlineardynamicinverse.Thespecificresearchcontentsare

asfollows:

Firstly,thebasicparametersofanewtypeofseaplaneareintroduced.Diff