民用飞机纵向气动参数辨识研究

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摘 要：飞机气动参数辨识是利用飞机在飞行试验过程中测得的状态响应数据对飞机的气动参数进行辨识的技术。设计了纵向气动参数辨识的激励信号，建立了非线性辨识模型。基于极大似然法对飞行试验数据进行辨识研究，得到纵向气动参数。对比飞行试验和辨识结果仿真的时间历程，表明辨识结果准确。

关键词：参数辨识 纵向气动参数 民用飞机

中图分类号：V212.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（c）-0061-02

基行试验数据的气动参数辨识技术与计算流体力学、飞机缩比模型的风洞试验成为建立飞机气动模型的三种主要方法[1]。随着系统辨识学科的形成和在飞行试验数据分析中的应用，使民机气动参数辨识研究飞速发展，被应用于验证和校正气动参数风洞实验和理论计算结果、为民机控制系统设计和改进提供基本依据、鉴定飞机的飞行品质、对失事飞行器事故进行分析等[2]。

飞机气动参数辨识是利用飞机在飞行试验过程中测得的状态响应数据对飞机的气动参数进行辨识，从而建立飞机本体的飞行动力学模型。为了研究方便，一般将飞机的运动按纵向和横航向分开。在飞机的纵向气动参数辨识中，国内外利用小扰动线性辨识模型进行了大量的研究和工程应用[3～5]，但基于非线性辨识模型的参数辨识却鲜有研究。本文结合飞行试验和工程应用的特点，建立了纵向气动参数非线性辨识模型，并采用极大似然法在时域内辨识参数。飞机纵向气动参数辨识研究包括激励信号设计（飞行操纵）、辨识模型推导、辨识方法和辨识结果检验四部分内容。

1 激励信号设计

在纵向气动参数辨识试飞中，典型的飞机升降舵操纵信号如图1所示。在飞行试验设计阶段要求的升降舵操纵为倍脉冲信号，但考虑到飞行员人工操纵的实际规律，该信号可按正弦波状来实施。对于不同的飞机，还需要根据飞机纵向运动模态的相关频率参数来设计升降舵舵偏的幅值和频率。

2 纵向气动参数非线性辨识模型

飞机纵向非线性辨识模型包括飞机的纵向气动模型、状态方程和观测方程。

2.1 纵向气动模型

3 辨识方法

目前常用的气动参数辨识方法有最小二乘法和极大似然法。对于在时域内的参数辨识，极大似然法更加适合。在具体辨识过程中，采用飞机的风洞数据作为待辨识参数的初始值，可以提高辨识结果的精度。

在飞机气动参数辨识中，似然函数即为在给定待辨识参数条件下出现某一运动状态（在某一激励信号下）的条件概率密度函数。如果该密度函数为极大值，表示给定的待辨识参数使得飞机最有可能出现此运动状态，从概率论的角度来说，给定的待辨识参数即为极大似然解。极大似然法的算法步骤如图2所示。

4 纵向气动参数辨识结果与检验

飞行试验中，在需要的高度和速度下配平飞机，飞行员按照图1的规律来操纵升降舵，激励飞机进入纵向模态运动。记录下飞行迎角、俯仰角速率和俯仰角的时间历程，按极大似然法进行辨识以得到纵向的气动参数；再以辨识的气动参数为基础，建立飞机动力学和运动学模型，进行数学仿真；对比飞行试验和数学仿真的结果，来判断辨识的准确度。

某民用客机在飞行试验和辨识结果仿真数据的对比如图3所示。

由图3可知，从时域数据判断，上述辨识结果与飞行试验数据接近，表明纵向气动参数的辨识结果准确。

5 结语

按照本文建立的纵向气动参数非线性辨识模型和辨识方法，可以得到民用飞机的纵向气动参数。对比飞行试验和辨识结果数学仿真的时间历程，表明辨识结果准确有效。该辨识结果可用于鉴定民机的飞行品质，并依此建立民机的工程飞行模拟器。

参考文献

[1] 关世义.谈谈飞行力学的三大研究手段[J].现代防御技术，2002（8）：12-18.

[2] 王树桂.系统辨识及航行器参数辨识进展[J].昆明工学院学报，1999（12）：8-13.

[3] 张鸿元.系统辨识在航空领域的应用及思考[C]//机载、航电专题：中国航空学会2007年学术年会.2007.

[4] 窦立谦，吉月辉.基于极大似然方法的高超声速飞行器参数辨识[C]//第31届中国控制会议.2012.

[5] 梁明.靶弹动力学模型参数辨识与弹道仿真[J].战术导弹技术， 2012（3）：48-53.