【固定翼飞机】基于最优控制的固定翼飞机着陆控制器设计研究（Matlab代码实现）

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📋📋📋本文目录如下：🎁🎁🎁

目录

💥1 概述

摘要

关键词

一、引言

二、飞机动力学模型建立

2.1 六自由度运动方程

2.2 关键参数与约束条件

三、最优控制理论在着陆控制器设计中的应用

3.1 性能指标确定

3.2 LQR控制器设计

3.3 MPC控制器设计

四、控制器仿真验证

4.1 仿真平台搭建

4.2 仿真结果分析

五、结论与展望

5.1 研究成果总结

5.2 未来研究方向

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Matlab代码、文章下载

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💥1 概述

介绍
飞机着陆过程由五个不同的阶段组成：基本腿、滑行坡度、抬头、着陆和着陆后滚动。在这五个阶段中，滑行坡度阶段和抬头阶段是最重要的[1]。在本项目中，我们设计了一个跟踪控制器，指导飞机实现平稳舒适的着陆。本项目考虑了着陆的抬头阶段。我们在本项目中使用的系统模型取自[1]。在该论文中，考虑了飞机的运动模型。为了得出系统模型，我们做出了以下假设：风扰动被假定为零，偏离平衡飞行状态为零，滑行路径角被假定为小，因此可以进行小角度近似，飞机速度恒定，纵向运动由副翼偏转控制，横向运动被忽略。详细文章见第4部分。

摘要

飞机控制中最困难的任务之一是实现安全舒适的着陆。事故统计数据表明，超过45%的通用航空事故发生在飞行的进场和着陆阶段。进一步分析显示，超过90%的事故是由飞行员引起的。失控也是其中33%事故的主要因素。在许多情况下，事故发生是因为未能在目标着陆时间内着陆。在假设飞机的横向和纵向动力学是解耦的，并且横向控制器负责处理飞机偏离跑道中心线的情况下，在本项目中，我们设计了一个固定翼飞机的纵向控制器，以跟踪期望的着陆轨迹。

随着航空技术的不断发展，固定翼飞机的安全着陆成为保障飞行任务顺利完成的关键环节。传统着陆控制方法在复杂气象条件和多变的飞行环境下难以满足高精度着陆需求。本文基于最优控制理论，研究固定翼飞机着陆控制器的设计方法，通过建立精确的飞机动力学模型，结合线性二次型调节器（LQR）和模型预测控制（MPC）方法，设计并仿真验证了两种不同类型的最优着陆控制器，分析比较了它们的性能差异，为固定翼飞机安全、精准着陆提供了可靠保障。

关键词

固定翼飞机；自动着陆；最优控制；LQR；MPC；鲁棒性

一、引言

在航空运输领域，固定翼飞机的着陆过程涉及复杂的运动，其动力学模型可通过建立六自由度运动方程来描述，包括三个平移运动（沿机体坐标系的X、Y、Z轴）和三个旋转运动（俯仰、滚转、偏航）。在着陆阶段，重点关注垂直方向和纵向的运动状态，涉及飞机的高度、速度、俯仰角等关键参数。然而，传统着陆控制方法存在诸多局限性，难以应对复杂环境下的高精度着陆需求。基于最优控制理论设计着陆控制器，能够在满足各种约束条件下实现性能指标的最优化，具有重要的理论意义和实际应用价值。

二、飞机动力学模型建立

2.1 六自由度运动方程

固定翼飞机的六自由度运动方程是描述其运动状态的基础。垂直方向的运动方程考虑升力、重力和阻力等因素对飞机下降速率的影响，纵向运动方程则与飞机的推力、空气阻力以及姿态变化相关。通过牛顿运动定律和空气动力学原理，可推导出这些运动方程的具体表达式。例如，简化后的纵向运动方程示例为：

2.2 关键参数与约束条件

飞机着陆过程中的关键参数众多，除高度、速度、俯仰角外，还包括迎角、襟翼偏角、发动机推力等。这些参数相互关联、相互影响，共同决定飞机的着陆状态。同时，存在诸多约束条件，如飞机的结构强度限制决定了过载不能超过一定范围；跑道长度和宽度限制了飞机的着陆点范围；气象条件（如风速、风向、气流扰动等）也对飞机着陆提出了挑战。在建立动力学模型时，必须充分考虑这些关键参数和约束条件，确保模型能够准确反映飞机实际的着陆运动特性。

三、最优控制理论在着陆控制器设计中的应用