考虑迟滞非线性的高超声速飞行器颤振分析

为给飞行器颤振控制及结构设计等提供支持,利用适合复杂结构建模的动态子结构方法中的自由界面模态综合法,考虑飞行器在超声速飞行状态下高超声速流和飞行器自身结构的特点,将整个飞行器分成多个子结构;考虑飞行器机身与机翼之间相互连接构件的实际工作状况和制造工艺情况,带有间隙非线性与立方非线性相互作用所产生的迟滞非线性特性,以及阻尼因子对非线性的影响,用有限元计算软件计算各子结构的动力学特性参数和气动力分布情况,建立飞行器整机的振动微分方程以分析颤振特性．对得到的飞行器在所设工况下的振动和颤振特性及颤振临界状态进行分析,实现全机气动弹性问题的仿真计算．分析结果表明,该方法拓展高超声速飞行器颤振的计算,可为动态子结构方法应用于颤振研究提供参考．     

超音速下热壁板的颤振分析

首先研究了热效应对壁板结构动力学特性的影响.将基于超音速活塞理论的非定常气动力模型与壁板的结构动力学方程相结合,得到了热壁板的颤振方程.利用p-k法进行了热壁板的颤振计算,讨论了气流偏角对颤振速度的影响.数值结果表明,热效应对壁板的固有特性有较大影响,进而影响壁板的颤振特性.     

基于特征模型的高超声速飞行器自适应控制研究进展

钱学森先生1945年在论文《论高超声速相似律》中,首次提出了高超声速(hypersonic)的术语.高超声速飞行器具有的强大的军事和民事应用前景,20世纪80年代初,在世界上掀起了研究和发展高超声速飞行器的热潮,其中高超声速飞行器控制是其关键科学和技术问题之一.高超声速飞行器的研究取得了大量理论成果,与其形成鲜明对比的是,高超声速飞行器在试飞实验中却遇到了很大困难,例如X–51A,HTV–2.这种现象不得不引发我们进行深入思考.由于高超声速空气动力学研究的局限性,导致目前所建立的高超声速飞行器的动力学模型,与真实系统相比,其结构和参数不确定性非常大,它从根本上限制了控制理论和方法的研究.并且由于高超声速飞行器动力学模型的复杂性,导致目前工程应用中的控制方法复杂化.因此,针对高超声速飞行器控制问题,需要深入开展气动、控制交叉学科的研究,以及适于工程应用的自适应控制的研究.针对上述问题,我们开展了一定的研究.我们建立了三轴耦合的高超声速飞行器被控对象类X–20及其气动模型,并结合工程应用,直接针对表格形式的气动模型开展控制研究.针对强耦合和无解析动力学的控制问题,特征模型理论有其独特优势.近年来,我们系统研究了基于特征模型的高超声速飞行器的爬升、滑翔和再入控制问题.本文首先介绍特征模型理论和方法,进而综述和分析基于特征模型的高超声速飞行器自适应控制的研究进展,并提出进一步需要研究的问题.     

高超声速飞行器应用保护映射的大包线控制律

针对高超声速飞行器模型具有高度非线性和易变的动态特性,应用保护映射理论提出了一种高超声速飞行器大包线控制律设计方法.首先,结合间隙度量理论建立高超声速飞行器线性变参数(linear parameter-varying,LPV)模型,然后设计控制器结构并计算初始点的控制器参数,并根据保护映射理论分析初始控制器使闭环系统稳定的参数区间,通过迭代运算自适应地获得满足性能要求的控制器参数集合.仿真结果表明,建立的LPV模型具有良好的精确度;所设计的大包线控制律能够满足高超声速飞行器的性能要求,并且保证系统在飞行域内全局稳定.     

基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制

本文研究了基于非线性能量阱的深海柔性张力腿的振动抑制问题.考虑端部参数激励和非线性能量阱(NES)作用下的张力腿力学模型,采用哈密顿变分原理推导出非线性振动控制的运动微分方程,利用伽辽金法进行离散化.通过参数分析和数值仿真计算,得到柔性张力腿的横向位移模态振动响应,同时还对比分析了NES与调谐质量阻尼器的减振性能.结果表明,相同情况下NES具有更为显著的减振效果,并且可以通过调整NES吸振器的参数,达到最优振动控制效果.     

简谐激励下双弹簧非线性能量阱的优化

研究了简谐激励下双弹簧非线性能量阱(NES)的优化问题.建立了线性振子(LO)附加NES的动力学方程,通过Runge-Kutta法计算系统响应.以最小化LO扫频区间的稳态位移振幅最大值为目标,采用差分进化算法和参数分析方法优化NES的参数,并对比线性吸振器(LVA)的优化结果.研究结果表明,相比LVA, NES实现较好减振效果的弹簧刚度范围更大,NES的较优参数区域和幅频响应容易受激励幅值的影响.     

高超声速飞行器模型参考变结构自动驾驶仪设计

与传统飞行器相比,高超声速的高度一体化设计造成空气动力学、推进系统和结构动态严重耦合,导致其对飞行条件的变化极其敏感,并且使得气动特性难以准确分析,这些都给其飞行控制系统设计带来了极大的挑战;文章引入了一种能够抵抗参数大范围变化的控制方法一模型参考变结构控制(MRVSC)对飞行器俯仰通道自动驾驶仪进行设计,并应用MATLAB分别对PID控制和MRVSC两种方法进行仿真分析;仿真结果表明,和经典控制方式相比,MRVSC能够更好地抵抗参数扰动影响,具有很好的控制效果.     

输入饱和及带宽限制下高超飞行器的闭环稳定边界研究

针对于吸气式高超声速飞行器开环不稳定的动力学特性,研究了控制信号存在饱和约束及带宽限制条件下的闭环稳定边界.首先,简要介绍了吸气式高超声速飞行器的建模方法与动力学特性的主要问题.考虑到飞行器控制信号的幅值限制及带宽约束,综合高超声速飞行器的开环不稳定特性,定量地分析了系统的闭环稳定边界:与系统不稳定极点的位置,其对应的左特征向量及控制信号的幅值约束有关;执行器的带宽限制在此基础上进一步缩小了反馈控制系统的稳定边界.根据高超声速飞行器短周期不稳定特性,解析地给出了闭环稳定边界的计算公式.采用蒙特卡洛分析方法对闭环系统的稳定边界及滑模变结构控制器作用下的稳定区域进行验证.仿真结果与理论分析具有一致性,验证了系统开环特性对于闭环稳定性的限制及控制信号带宽约束对稳定性的影响.     

高超声速折叠翼展开动力学研究

折叠翼飞行器在飞行过程中通过机翼的展开与折叠,来满足不同飞行任务时的最优飞行性能.在飞行过程中,折叠翼能够顺利展开并安全锁定是折叠翼飞行器顺利完成任务的根本原因之一.因此,针对高超声速折叠翼被动展开过程,研究其精确动力学建模与仿真,优化系统参数与飞行姿态,使得折叠翼展开锁定后的冲击响应满足结构要求.首先,采用绝对节点坐标法建立柔性折叠翼的柔性多体系统动力学模型,采用活塞理论建立气动力模型,从而形成折叠翼的柔-流耦合动力学模型,并采用广义a算法求解.其次,研究被动展开扭杆参数、阻力扭簧参数与飞行姿态等对高超声速折叠翼被动展开动态过程的影响,优化系统参数,有效降低展开锁定后的冲击响应.     

基于模糊控制的高超声速飞行器二阶滑模姿态控制

考虑高超声速飞行器飞行过程中气动参数变动导致的不确定,将模糊控制与二阶滑模控制相结合,形成自适应模糊二阶滑模控制器,用于控制高超声速飞行器姿态的飞行系统中.依据奇异摄动理论,设计快速和慢速双闭环系统控制角速率和姿态角.设计二阶滑模控制器用于有效地衰减抖振,同时对姿态角指令实现准确和快速跟踪.采用自适应模糊逻辑逼近高超声速飞行器动力学和运动学模型中的不确定部分,以对控制器进行有效补偿,基于Lyapunov稳定性理论,推导模糊规则参数的自适应律,确保整个闭环控制系统的稳定.仿真结果表明,所提出的高超声速飞行器的自适应模糊滑模控制系统能够有效抑制气动参数摄动的影响,对姿态角指令有较好的跟踪性能.     

变桨距风力发电机组恒功率反馈线性化控制

在额定风速以上时,为保证风电机组的安全稳定运行,需要降低风力机捕获风能,使风力机的转速及功率维持在额定值,基于微分几何反馈线性化方法,提出变桨距风力发电机组恒功率控制策略.建立了风力机的仿射非线性模型,采用微分几何反馈线性化变换实现全局精确线性化;根据新的线性化模型,以风力机转速为输出反馈变量,叶片桨距角为输入控制变量,设计桨距角控制器;在风速高于额定值时调节风力机维持在额定转速,从而实现额定风速以上的恒功率控制.仿真结果表明,所提控制策略能较好地解决变桨距风力发电机组额定风速以上的恒功率控制问题,控制方法具有较好的适应性和鲁棒性.     

Robust nonlinear control strategy to maximize energy capture in a variable speed wind turbine with an internal induction generator

This paper proposes a control strategy to maximize the wind energy captured in a variable speed wind turbine,with an internal induction generator,at low to medium wind speeds.The proposed strategy cont...     

变速风力发电机组最大风能追踪与桨距控制

针对变速变桨风力发电机组(Variable Speed Variable Pitch,VSVP)如何在低风速时最大限度捕获风能以及在额定风速以上稳定输出功率进行研究。低风速时在传统风能追踪控制策略的基础上,提出通过改变最优增益系数来追踪最佳风能利用系数的自适应转矩控制策略。在额定风速以上,依据风机空气动力学原理、风轮扫及面内风速风切特性,提出基于桨叶方位角信号的独立变桨距控制策略。该策略通过权系数将统一变化的桨距角转化为3桨叶独立变化的桨距角。以国产某2 MW风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对所采用的控制策略进行仿真验证。结果表明,相对传统控制,所提出的控制策略在低风速时能够更好的追踪最大功率点。额定风速以上时,使风力发电机组能够在额定转速下保持稳定的电功率输出。     

Nonlinear PI control for variable pitch wind turbine

Wind turbine uses a pitch angle controller to reduce the power captured above the rated wind speed and release the mechanical stress of the drive train. This paper investigates a nonlinear PI (N-PI) based pitch angle controller, by designing an extended-order state and perturbation observer to estimate and compensate unknown time-varying nonlinearities and disturbances. The proposed N-PI does not require the accurate model and uses only one set of PI parameters to provide a global optimal performance under wind speed changes. Simulation verification is based on a simplified two-mass wind turbine model and a detailed aero-elastic wind turbine simulator (FAST), respectively. Simulation results show that the N-PI controller can provide better dynamic performances of power regulation, load stress reduction and actuator usage, comparing with the conventional PI and gain-scheduled PI controller, and better robustness against of model uncertainties than feedback linearization control.     

风力机叶片动力学建模研究

研究水平轴风力机叶片在回转平面内的横向振动.将风力机叶片简化为以恒角速度绕定轴旋转的不可伸长的等截面欧拉伯努利梁.采用一维动量叶素理论建立风力机叶片的空气动力学模型,并计及风力机叶片尖端损失的影响.对无量纲化的动力学方程采用Galerkin方法得到由常微分方程描述的非线性动力系统.采用由NACA63 -B系列风力机叶片...     

All terrain vehicle loss of control events in agriculture: Contribution of pitch,roll and velocity

All terrain vehicle (ATV) (i.e. quad bike) loss of control (LOC) events are a major cause of injury and death on New Zealand and Australian farms. ATV LOC history, work experience, anthropometric data and vehicle pitch, roll and velocity data were recorded from 30 farmers. The terrain induced 95th percentiles were forward pitch 27.8°, backward pitch 28.7° and 20.8° for left and right roll. Nineteen participants (mean 42.4 years) had experienced 53 LOC events and were on average 9.5 years younger than the 11 participants (mean 51.9 years) who had not previously experienced LOC. Peak pitch, roll and velocity were not associated with LOC; however, at peak left roll the non-LOC group had a pitch of 3.1° downhill, while the LOC group had a pitch of 2.1° uphill. Results indicate ATV LOC prevalence is considerably underestimated, while increased risk for LOC may be influenced by a combination of personal, mechanical or terrain factors. The ATV pitch, roll and slope traverse data may help in the better understanding of why LOC events occur, may help in the development of safety equipment such as a tilt warning device and will contribute to national safety guidelines.

Statement of Relevance: Approximately 80,000 ATVs are used in rural New Zealand and ATV accidents are the single most common cause of work-related fatalities, apart from road accidents. This fieldwork research provides pitch, roll and velocity data and considers how these data might contribute to risk of ATV accidents.     

变桨距风力机特性模拟

变桨距风力机在不同风速下具有不同的运行状态和输入输出关系.文章根据空气动力学理论研究了风力机静动态特性;探讨了不同风速下,变桨距风力机的控制方案及运行状态;根据变桨距风力机不同的运行状态,设计了发电机特性和桨距角控制方案;在matlab/simulink环境下,建立了适应变桨距风力机全状态的模拟系统;在匀速风、阵风、渐...     

Adaptive back-stepping pitch angle control for wind turbine based on a new electro-hydraulic pitch system

A new electro-hydraulic pitch system is proposed to smooth the output power and drive-train torque fluctuations for wind turbine. This new pitch system employs a servo-valve-controlled hydraulic motor to enhance pitch control performances. This pitch system is represented by a state-space model with parametric uncertainties and nonlinearities. An adaptive back-stepping pitch angle controller is synthesised based on this state-space model to accurately achieve the desired pitch angle control regardless of such uncertainties and nonlinearities. This pitch angle controller includes a back-stepping procedure and an adaption law to deal with such uncertainties and nonlinearities and hence to improve the final pitch control performances. The proposed pitch system and the designed pitch angle controller have been validated for achievable and efficient power and torque regulation performances by comparative experimental results under various operating conditions.     

Blood flow driven by surface tension in a microchannel

This study aims to identify distinct blood flow characteristics in a microchannel at different sloping angles. The channel is determined by a bottom hydrophilic stripe on a glass substrate and a fully covered hydrophobic glass substrate. The channel has a height of 3 μm, and a width of 100 μm. It is observed that increasing the sloping angle from −90° (downward flow) to 90° (upward flow) increases the blood flow rate monotonically. These peculiar behaviors on the micro scale are explained by a dynamic model that establishes the balance among the inertial, surface tension, gravitational, and frictional forces. The frictional force is further related to the effective hematocrit. The model is used to calculate the frictional force, and thus the corresponding hematocrit, which is smaller when the blood flows upward, reducing the frictional force.     

Calculation and characteristics analysis of blade pitch loads for large scale wind turbines

Based on the electric pitch system of large scale horizontal-axis wind turbines,the blade pitch loads coming mainly from centrifugal force,aerodynamic force and gravity are analyzed,and the calculation models for them are established in this paper.For illustration,a 1.2 MW wind turbine is introduced as a practical sample,and its blade pitch loads from centrifugal force,aerodynamic force and gravity are calculated and analyzed separately and synthetically.The research results showed that in the process of ro...