[发明专利]基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法

说明书

一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法。系统包括数据库服务器和供人机交互的微型计算机，数据库服务器通过数字网络与微型计算机相连。本发明优点：综合考虑飞机性能、飞行程序和大气环境影响飞行的因素，建立航迹仿真系统，有利于提高仿真航迹的精确度。当仿真航迹精度满足一定要求，依据仿真得到的3D航径和保护区在空中铺画运行的通道，从空域设计上保证飞机不会产生侧向和垂直方向碰撞风险，依靠先进的机载设备和导航系统，提供给机组更大的自主权利，使航空器运行组织和飞行管制指挥的负荷降低，将航班延误水平控制在旅客可接受的范围内，降低航班延误的发生率，从而能够为机场旅客提供更为优质的航空运输服务。

技术领域

本发明属于4D航迹仿真系统建模技术领域，特别是涉及一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法。

背景技术

近年来，随着全球经济的不断发展，民航飞机数量的不断增加，飞行流量也在不断加大，航空运输量的快速增长客观上要求民用航空的建设和管理与之相适应。作为美国经济的基础，民用航空一直是美国经济增长的催化剂并对日常生活有着深远的影响，并且预计在未来的二十年内将会增长150％到250％，即使采用保守的方法进行估计，现有的和计划容量根本不能满足增长的需求。为此为保证下一代美国空中运输体系可以符合航空运输对安全、可靠、简便、高效及容量的需求，美国成立了由交通部、联邦航空局等七大政府机构组织组成的联合项目办公室(JPDO)，推出了面对2025年美国的《下一代空中运输体系》(Next Generation Air Transportation System，简称NGATS)。

基于航迹的运行管理成为未来空管的发展趋势，依据预报的飞行航径中的各点空间位置(经度、纬度和高度)和时间，可以显著地减少航空器航径的不确定性，提高空域和机场资源的利用率与安全性，4D航迹预测和面向航迹的运行作为一项未来空域运行实施的基础关键技术，是下一代空管自动化系统、飞行流量管理系统等系统的核心部件。以航迹推测系统按照推测时间后推的长度可以分为:预战术航迹推测(在飞机起飞之前数个小时对飞行过程的模拟)和战术航迹推测(对飞机在未来几分钟之内航迹的推测)。

建立飞机预战术4D航迹预测的数学模型有两种基本方法:一种方法是基于历史飞行数据挖掘的航迹推测，该方法不依赖于空气动力学和牛顿力学模型，也不需要获取飞机的动力学参数，主要通过对大量的实际飞行数据进行统计分析来进行航迹推测，因此称为系统辨识法或试验分析法；另一种方法是根据飞行控制系统内部的运动规律，从飞机运行的水平剖面、垂直剖面和速度剖面着手分析不同航段上各种变量间的因果关系而建立起来的航空器飞行控制的数学模型，再综合考虑影响飞行的各种要素仿真来获得飞行航迹，这种方法称为机理建模或理论分析法。

在飞行控制系统的设计中有两个最重要的环节，即控制系统的数学模型设计和控制器的整定。对于一个系统的分析，其结果的准确程度主要取决于数学模型对给定物理系统的近似程度，在推导数学模型的过程中，必须根据具体要求，恰当地处理好模型简化和分析结果准确性之间的关系。在控制系统的运动机理、内部规律比较了解的情况下，适合应用机理建模法。用这种方法建立的数学模型，能科学地揭示系统内部及外部的客观规律，因而代表性强，适应面广。

在众多的飞行控制仿真模型中，欧洲航行安全组织的航空器基本性能数据库BADA模型和FAA的六自由度模型应用最为广泛。随着4D航迹技术的研究不断深入，飞行系统内部及外部的客观规律会被逐渐揭示，基于机理建模的方法会更具实用价值。

依据六自由度飞行控制模型建立飞机纵向控制的数学模型，结合PID控制和模糊控制，设计模糊PID自适应控制器，实现仿真过程中自适应PID参数调节，改善被控模型的动态性能和稳态性能，与PID进行对比验证，仿真得到的航迹将会具有更高的精度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于模糊PID控制的飞机4D航迹仿真系统及仿真方法。