一种近似解耦方法在飞机侧风减缓中的应用

采用一种基于输出反馈,部分状态反馈和奇异摄动理论的近似解耦方法设计一个高增益比例积分控制器来实现对多变量系统的解耦控制.所得控制器结构简单,且解耦后的系统能得到良好的动态响应和较强的鲁棒性.文中以经改装后具有直接侧力操纵面的某型飞机为例,对其侧向平移模态进行了解耦控制设计,并将其应用于该飞机的阵风减缓.最后与不具有直接侧力操纵面的原飞机进行仿真对比.仿真结果表明,其产生的均方根阵风加速度比原飞机减少了约55%.     

基于风扰动预测的阵风减缓最优控制研究

目前大多数阵风减缓控制方法都是等到飞机到达风场之后才起作用,由此带来了时滞与舵面速率饱和等问题。为了解决这一问题,提出了一种基于风扰动预测的阵风减缓控制系统方案。首先,对风扰动预测技术进行了研究,利用二阶互补滤波器实现了一种基于激光测风雷达获取的阵风信息与其它渠道获取的阵风信息的数据融合算法。其次,以某型民用飞机模型为对象,采用LQR方法设计最优状态调节器使得性能指标最小。接着,引入基于风扰动预测的前馈补偿,使得在未来阵风到达时飞机状态要尽可能保持不变。仿真结果表明,基于风扰动预测的阵风减缓最优控制系统能大幅度地减少阵风干扰对飞机法向过载和俯仰角速度的影响,证明了所设计的控制系统方案的正确性和有效性。     

基于CMAC-PID并行控制的阵风减缓控制系统

针对高速飞机飞行在大气干扰下,产生强烈阵风干扰,飞机方程存在未建模扰动,传统PID难以保证控制稳定效果,提出了基于粒子群优化策略的CMAC-PID并行控制的直接升力控制方法,并将其应用于飞机阵风减缓控制系统的设计中.采用乘坐品质舒适指数作为适应度函数,通过粒子群优化,得到PID控制器参数为神经网络训练提高导师信号.在系统运行中,PID控制器输出逐渐趋近为零,CMAC网络控制输出逐步取代PID控制输出,成为控制器主要控制信号.仿真结果表明,提出的方法比传统PID控制器能够更加有效的起到阵风减缓效果增加稳定性.     

基于动网格技术的动力伞阵风响应研究

动力伞是一种特殊的柔性翼飞行器,在遇到阵风尤其是定常阵风时,无法像刚性翼飞行器一样通过副翼舵面的调整来控制飞行姿态,但是可以通过设计翼面的纵向同期运动,达到缓和阵风干扰的目的。文章以动力伞纵向模型为研究对象,引入动网格技术,设定了三个不同周期、不同幅度的同期振荡过程,并在FLUENT中实现了整个响应的动态数值仿真。对同期振荡运动时的气动特性进行分析,并研究比较了运动参数对阵风缓和的影响。实验表明:通过合理得设计动力伞翼面的主动运动方式,可以较好地抑制阵风引起的非定常气动干扰。     

递阶H∞ 方法及其在阵风干扰下飞机着陆控制中的应用

本文对阵风干扰下的飞机着陆控制问题进行了研究,将Ｈ∞方法与大系统结构摄动递阶控制思想相结合,给出了具有鲁棒稳定性的递阶Ｈ∞控制器,在求解摄动矩阵时,针对系统矩阵不可逆的情况,提出了一种摄动矩阵的计算方法,对某型飞机的应用仿真结果表明,一文所给的递阶Ｈ∞控制器,阵风干扰能够被抑制在工程允许的范围之内。     

基于系统非线性因素的阵风载荷减缓技术研究

随着大型客机电传飞控的引入,系统非线性问题逐渐突显。对于阵风载荷减缓系统而言,非线性因素往往会严重影响阵风减缓效果。采用有限元和偶极子网格方法建立气动弹性模型,并分析其实际工程中主要的系统非线性因素,包括饱和、速率限制与延迟。其次,根据机载设备探测的阵风信息,以翼尖加速度、翼根剪力和弯矩作为阵风减缓指标,设计了阵风预测以及自适应前馈控制方案,从而弥补传统反馈控制中的不足性。最后,针对三种系统要求指标,分别与传统反馈控制进行减缓效率的对比分析。研究结果表明,系统的非线性因素对阵风减缓效果具有重大影响,且利用前方阵风探测信息设计的自适应前馈控制方案具备更好的阵风减缓效果。     

动力伞伞翼阵风响应的数值模拟

采用有限体积法求解非定常Euler方程,并通过引入动态网格方法模拟阵风条件,对不同风速下水平和垂直阵风的伞翼气动力响应进行动态模拟与计算,针对动力伞伞翼柔性结构和飞行速度慢的特点,运用动态仿真方法求解阵风响应的附加气动力与力矩。结果表明:遇水平阵风时,伞翼气动力表现为多周期不同幅度的主动颤振运动;遇垂直阵风时,气动力响应基本与阵风速度变化趋势保持一致,最终稳定后气动力相对于阵风加载前变化不大。     

基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制*

四旋翼飞行器系统是强耦合,多输入多输出（MIMO）和非线性的。首先,进行动力学建模,考虑模型参数确定与阵风干扰两种情况。接着,提出了一种自适应积分反步控制方法应用于飞行器跟踪期望轨迹。整个控制系统采用双闭环回路结构,内回路用于控制姿态,外回路用于稳定位置。最后,在模型参数确定的情况下,与积分反步法（Integral Backstepping,IB）做实验对比。在模型参数不确定情况下,对飞行器的期望姿态和位移进行跟踪,结果表明,应用自适应积分反步（Adaptive Integral Backstepping,AIB）控制算法的飞行器对外界较强阵风干扰和模型参数不确定具有一定的鲁棒性,能够较为精确地完成轨迹跟踪任务。     

风扰影响下的无人机非线性广义最小方差跟踪控制

本文以鱼鹰型固定翼无人机为研究对象,基于非线性广义最小方差(nonlinear generalized minimum variance,NGMV)最优控制理论,研究了受到非线性阵风干扰影响下的无人机跟踪控制问题.首先对鱼鹰型无人机动力学模型解耦,在解耦后的横向和纵向模型上分别实现跟踪控制;然后针对阵风非线性模型的特定形式,根据NGMV理论设计了增维的非线性广义最小方差控制器,使得模型充分考虑了阵风干扰的特性.所设计的NGMV最优控制器的主要优势在于它能处理带有干扰和时滞环节的非线性系统.多组阵风扰动的仿真试验结果表明,非线性广义最小方差最优控制器具有跟踪性和收敛性.     

基于IM-PSO的大型民用客机载荷减缓控制研究

民用客机在垂直向紊流干扰下,会产生不期望的过载,导致乘坐品质下降。针对这一问题,提出了一种基于IM-PSO优化的载荷减缓控制设计方案。设计了控制副翼、扰流板和升降舵的载荷减缓控制系统,通过自动偏转副翼和扰流板,抵消阵风干扰带来的影响,并通过偏转升降舵,确保飞机的稳定控制。根据系统性能指标选择合适的参考模型,并设定合理的目标函数。最后,应用了IM-PSO算法进行控制器参数的自动寻优。仿真结果表明,基于IM-PSO优化的载荷减缓控制系统,能有效降低阵风干扰,改善飞机的乘坐舒适性,达到了良好的控制效果。     

Stability analysis and design for aircraft gust alleviation control

This paper is concerned with the stability analysis and the development of an on-line two-level gust alleviation control system for a high-speed aircraft operating in an unknown environment. As is well known, such an aircraft experiences dynamic instability in its lateral motion when subjected to the longitudinal and lateral gusts. This is due to the phenomenon of lateral-longitudinal aerodynamic cross-coupling.In the first part of this paper the instability behaviour, in the presence of a longitudinal gust, of two typical high-speed aircraft is analyzed. From theoretical and simulation studies it is shown that for a sinusoidal gust, and for a given configuration, the instability region is a function of both the amplitude and frequency of the gust disturbance.In the second part of the paper, an on-line gust alleviation control system is synthesized for such an aircraft operating over a wide range of unknown environmental conditions. This control system employs a two-level control structure. The controller, however, does not require an explicit knowledge of the aircraft parameters or the environment. Typical simulation results are presented which verify the theoretical predictions.     

Optimization of airplane wing structures under gust loads

A methodology is presented for the optimum design of aircraft wing structures subjected to gust loads. The equations of motion, in the form of coupled integro-differential equations, are solved numerically and the stresses in the aircraft wing structure are found for a discrete gust encounter. The gust is assumed to be one minus cosine type and uniform along the span of the wing. In order to find the behavior of the wing structure under gust loads and also to obtain a physical insight into the nature of the optimum solution, the design of the typical section (symmetric double wedge airfoil) is studied by using a graphical procedure. Then a more realistic wing optimization problem is formulated as a constrained nonlinear programming problem based on finite element modeling and the optimum solution is found by using the interior penalty function method. A sensitivity analysis is conducted to find the effects of changes in design variables about the optimum point on the response quantities of the wing structure.     

雷达跟踪系统的随机干扰自适应

热噪声和阵风是雷达角跟踪系统中的两个主要随机干扰源.本文首先将问题公式化为一 个以热噪声误差和阵风误差的平方和为指标的最优伺服过零频率的问题,然后将该过零频率 表示为可测量的接收机自动增益控制电压和平均风速的函数,从而综合出拟增益排表自适应 控制器.并通过数学分析和现场实验证实了这种拟增益排表自适应伺服系统的优越性.     

无人机垂直突风非线性动态过程建模与仿真

在无人机方案设计初期,需对气动关键参数进行数字仿真,以验证其能否适应复杂气象条件。为研究无人机在遭遇垂直突风时,其相关参数的动态响应情况,基于simulink建立了数字飞机模型及突风模型,完成了90s的飞行仿真。结果表明,无人机在地轴系Z向遭遇风速为50ms/s时长2s的垂直突风时,其飞行高度、速度等参数均在设计范围内波动,在突风消失后,飞机恢复稳定状态。为后期的系统设计和飞行试验奠定良好的基础。     

Flight validation of a feedforward gust-attenuation controller for an autonomous helicopter

This paper presents a practical scheme to control heave motion for hover and automatic landing of a Rotary-wing Unmanned Aerial Vehicle (RUAV) in the presence of strong horizontal gusts. A heave motion model is constructed for the purpose of capturing dynamic variations of thrust due to horizontal gusts. Through the construction of an effective gust estimator, a feedback–feedforward controller is developed which uses available measurements from onboard sensors. The proposed controller dynamically and synchronously compensates for aerodynamic variations of heave motion, enhancing disturbance-attenuation capability of the RUAV. Simulation results justify the reliability and efficiency of the suggested gust estimator. Moreover, flight tests conducted on our Eagle helicopter verify suitability of the proposed control strategy for small RUAVs operating in a gusty environment.