本书系统全面地分析和研究了新型飞机在大迎角下的气动建模和协调控制等关键问题，完成了单轴大幅振荡和双轴耦合大幅振荡风洞试验下的非定常气动力建模、基于飞行数据的气动辨识、飞机数学建模及自然特性分析、协调分配方法和非定常气动力作用下大迎角控制方法等。

本书可作为智能科学与技术、控制科学与工程、航空宇航科学等相关学科领域科研工作者、工程技术人员、高等院校师生的参考书，也可作为研究生和

高年级本科生教科书。

目录

第 1 章 绪论

1.1 研究现状

1.1.1 非定常气动力建模

1.1.2 非线性分配方法

1.1.3 非线性控制方法

1.2 关键问题与内容安排

1.2.1 关键问题

1.2.2 本书内容安排

参考文献

第 2 章 单轴振荡下非定常气动力建模

2.1 风洞数据处理

2.1.1 风洞试验装置介绍

2.1.2 风洞试验装置机构角与飞机气流角关系推导

2.2 单轴振荡数据分析

2.2.1 单轴俯仰振荡气动现象和机理分析

2.2.2 单轴滚转振荡气动现象和机理分析

2.2.3 单轴偏航振荡气动现象和机理分析

2.3 单轴振荡下非定常气动力建模方法

2.3.1 修正的非线性代数多项式建模方法

2.3.2 一阶微分模型建模方法

2.3.3 改进的模糊逻辑模型建模方法

2.4 仿真分析

2.5 本章小结

参考文献

第 3 章 双轴耦合振荡下非定常气动力建模

3.1 双轴耦合振荡下数据处理

3.1.1 俯仰?滚转耦合振荡

3.1.2 偏航?滚转耦合振荡

3.2 双轴耦合振荡数据分析

3.2.1 俯仰?滚转耦合振荡气动现象和机理分析

3.2.2 风洞试验装置机构角与飞机气流角关系推导

3.3 基于 CV?SMO?SVR 方法建模

3.3.1 SVR 方法预备知识

3.3.2 SMO 算法预备知识

3.3.3 基于 CV?SMO?SVR 的非定常气动力建模方法

3.3.4 仿真结果分析

3.4 基于改进的 ELM 方法建模

3.4.1 ELM 方法预备知识

3.4.2 基于改进的 ELM 的非定常气动力建模方法

3.4.3 仿真结果分析

3.5 本章小结

参考文献

第 4 章 基于飞行试验数据的大迎角气动模型辨识

4.1 飞行试验数据处理

4.1.1 野值的识别、剔除与补正

4.1.2 数字滤波

4.1.3 数值微分

4.1.4 频率转换

4.2 气动力和力矩的推算

4.3 最小二乘法气动辨识

4.3.1 最小二乘法原理

4.3.2 基于最小二乘法的参数辨识

4.4 极大似然法气动辨识

4.4.1 极大似然的原理与性质

4.4.2 输出误差法

4.4.3 基于输出误差法的参数辨识

4.5 神经网络法辨识

4.5.1 神经网络原理

4.5.2 基于神经网络的模型辨识

4.6 极限学习机法辨识

4.6.1 极限学习机原理

4.6.2 基于传统 ELM 方法的模型辨识

4.6.3 基于增强随机搜索的增量式极限学习机

4.6.4 基于 EI?ELM 方法的模型辨识

4.7 本章小结

参考文献

第 5 章 新型飞机数学建模

5.1 缩比飞机几何参数

5.2 飞机气动力分析及舵效处理

5.2.1 飞机常规气动力分析

5.2.2 飞机舵效处理

5.3 飞机动导数计算

5.3.1 动导数计算原理

5.3.2 动导数计算方法

5.3.3 动导数仿真结果

5.4 飞机子系统建模

5.4.1 发动机模型

5.4.2 大气模型

5.4.3 舵机模型

5.5 六自由度非线性飞机模型

5.5.1 飞机建模假设

5.5.2 动力学方程

5.5.3 运动学方程

5.5.4 过失速机动时飞机模型

5.6 飞机常规迎角下自然特性分析

5.6.1 飞机配平线性化

5.6.2 纵向和横向典型模态自然特性分析

5.7 本章小结

参考文献

第 6 章 基于突变理论与分支分析的大迎角特性分析

6.1 突变理论与分支分析相关概念

6.1.1 非线性模型平衡解和轨道

6.1.2 非线性动力学系统的分支和突变

6.2 基于数值微分的分支分析连续算法

6.2.1 基于牛顿迭代的连续算法

6.2.2 改进分支分析方法

6.3 仿真分析

6.3.1 基于升降舵变化的突变理论与分支分析仿真

6.3.2 基于副翼变化的突变理论与分支分析仿真

6.3.3 基于方向舵变化的突变理论与分支分析仿真

6.4 本章小结

参考文献

第 7 章 新型飞机非线性分配与转矩可达集计算

7.1 分配方法预备知识

7.1.1 分配问题描述

7.1.2 控制效能矩阵求解

7.2 气动舵面与推力矢量协调分配方法

7.2.1 加权伪逆方法

7.2.2 串接链方法

7.3 基于舵面位置反馈的非线性分配方法

7.3.1 非线性分配模型

7.3.2 基于舵面位置反馈的非线性分配方法设计过程

7.4 考虑非定常气动力的非线性分配方法初探

7.4.1 大幅振荡下平尾舵效曲线

7.4.2 非定常分配方法构想

7.5 非线性转矩可达集的求解

7.5.1 非线性构型说明

7.5.2 非线性转矩可达集的求解

7.5.3 仿真算例

7.6 本章小结

参考文献

第 8 章 基于动态逆方法的大迎角控制

8.1 动态逆方法预备知识

8.1.1 仿射非线性系统

8.1.2 系统相对阶

8.1.3 动态逆控制方法

8.1.4 大迎角飞行状态时标分离

8.2 过失速机动相关参数求取

8.2.1 机动指令生成

8.2.2 缩减频率求取

8.3 动态逆控制律设计

8.3.1 快回路设计

8.3.2 较慢回路设计

8.4 非定常气动力下动态逆控制律改进

8.4.1 快回路控制律改进

8.4.2 较慢回路控制律改进

8.5 非定常气动力下改进控制律仿真分析

8.5.1 单轴振荡非定常气动力下机动仿真

8.5.2 双轴耦合振荡非定常气动力下机动仿真

8.6 本章小结

参考文献

第 9 章 基于反步法的大迎角控制

9.1 反步法预备知识

9.2 基于常规反步法的控制律设计

9.2.1 常规反步法控制律设计过程

9.2.2 稳定性分析

9.3 非定常气动力下控制律设计及稳定性分析

9.3.1 控制律设计思想

9.3.2 控制律实现

9.3.3 稳定性分析

9.4 仿真分析

9.4.1 单轴振荡非定常气动力下机动仿真

9.4.2 双轴耦合振荡非定常气动力下机动仿真

9.5 本章小结

参考文献

前言

未来飞机的超机动性能仍是新型飞机核心能力，而飞机非常常气动力建模与控制是实现超机动性能的关键技术。

10 余年来，我们飞行控制课题组对战斗机大迎角模型构建、大迎角模型修正、大迎角自然特性分析和大迎角控制律设计等方面开展了创新研究，建立了一套完整的大迎角建模、分析和控制的方法与流程。本书系统总结了新型飞机大迎角建模和控制的研究成果，旨在为广大读者提供一部关于新型飞机非定常建模和控制的学术专著，为从事飞行控制的科技工作者和广大读者提供理论基础和技术支撑。

本书共 9 章。第 1 章介绍了非定常气动力建模方法、非线性分配方法和非线性控制方法等研究现状，并给出了本书所要解决的关键问题和内容安排。第 2 章基于单轴大幅振荡下的风洞试验数据，通过风洞试验数据处理、单轴大幅振荡数据分析，建立了基于修正的非线性代数多项式、一阶微分模型和改进模糊逻辑等方法的单自由度风洞大迎角非定常模型。第 3 章基于 CV?SMO?SVR 和改进 ELM 方法，构建了双自由度大幅振荡的风洞大迎角非定常模型。第 4 章从缩比飞机的飞行试验数据入手，在飞行试验数据处理、气动力和气动力矩的推算基础上，通过 4 种不同的方法建立了不同的非定常气动力辨识模型，并结合试飞数据对辨识后的气动力模型进行了修正。第 5 章结合缩比飞机基本参数，通过气动力分析和舵效处理、飞机导数计算、子系统建模等构建了飞机的六自由度非线性模型，并进行了典型模态下的自然特性分析。第 6 章基于突变理论和分支分析进行了大迎角下的自然特性分析，并提出了改进的分支分析方法，为后续大迎角控制律设计提供了依据。第 7 章进行了战斗机的分配方法设计研究，提出了基于舵面位置反馈的非线性分配方法，并给出了非线性分配模型的转矩可达集的求解过程。第 8 章研究了基于动态逆方法的大迎角控制律设计，提出了考虑非定常气动力影响的改进动态逆方法。第 9 章提出了基于径向基函数（RBF）神经网络的反步大迎角控制方法，解决了非定常气动力导致的非线性和迟滞性等问题。本书内容从气动和控制交叉学科视角出发，基于完整的大幅振荡风洞试验数据和大迎角失速尾旋试飞数据等，系统研究了战斗机非定常气动建模和控制律设计等问题，具有重要的理论研究意义和工程实用价值。

衷心感谢清华大学朱纪洪教授百忙之中认真审阅了书稿，并提出了宝贵的意见和建议。感谢西北工业大学自动化学院 906 教研室的章卫国老师、刘小雄老师和李广文老师对本书的指导，感谢博士生黄山、魏洲航，硕士生樊昌浩、蹇世童、张馨宜对本书做出的贡献。同时，向本书引用参考文献的各位作者表示诚挚的谢意。

本书是在国家自然科学基金面上项目（编号：62373301、62173277）、航空科学基金（编号：20220058053002）和陕西省自然科学基金（编号：2023?JC?YB?526）等支持或部分支持下取得的成果。

限于作者水平有限，书中难免存在疏漏和不妥之处，恳请国内外同行专家不吝指正。

作者

2025 年 7 月于西北工业大学