液体晃动对飞行器控制系统影响分析

对于小幅晃动的充液飞行器流固耦合问题,可以采用等效力学模型来描述液体晃动.然而在研究液体对刚体的影响上,暂未有人从频域的角度进行建模.本文在已知液体各阶模态等效力学模型的基础上,利用虚功率原理和线性小扰动原理给出充液飞行器纵向模态舵偏角到姿态传函,并根据主导极点概念将充液飞行器高阶系统近似为二阶系统典型传递函数,以携带横放圆柱贮箱飞行器为例,分析了不同充液比和贮箱尺寸对典型传函系数的影响.结果表明,液体质量和转动惯量主要影响飞行器传递系数、时间常数,使得飞行器机动性和纵向模态自然频率降低;而液体晃动主要影响典型传函中相对阻尼系数,使得飞行器纵向相对稳定性降低.     

充液航天器姿态的自适应非线性动态逆控制

讨论了充液航天器大角度姿态机动自适应非线性动态逆控制设计.推导了航天器-液体晃动耦合系统动力学方程.采用单摆等效力学模型对液体燃料晃动进行动力学建模.由于充液航天器控制系统的强耦合非线性,故采用神经网络构造系统的自适应非线性动态逆控制器.通过实际算例对该控制器的跟综性能进行了测试,结果证明该自适应非线性动态逆控制器在包...     

高超声速飞行器动力学建模与分析

吸气式高超声速飞行器本身具有复杂动力学特性,由于存在强烈的结构弹性/推力/气动的耦合以及其力学环境的诸多不确定因素,使得飞行器本身的动态特性相当复杂.经典牛顿力学方法建模难以清楚反映飞行器结构弹性/推力/气动耦合.为更为精确的分析高超声速飞行器复杂的动力学特性,本文针对吸气式高超声速飞行器采用拉格朗日法进行了建模与动态特性分析,选择了具有代表性的特征点,建立了小扰动模型,在不同特征点上采用拉格朗日模型和牛顿力学模型对比分析高超声速飞行器的动力学特性.结果表明,拉格朗日方法所建立的动力学模型能够更清楚地符合高超声速飞行器结构弹性和气动特性耦合以及发动机尾流和气动特性之间的耦合特性.     

基于ARX模型四旋翼飞行器的LQR控制方法

四旋翼飞行器飞行过程中具有非线性和强耦合性,导致难以建立精确的物理力学模型,针对这个难题,提出了基于多个ARX模型四旋翼飞行器的LQR控制器设计方法;ARX模型全称是带外生变量的自回归模型,LQR控制器一种基于局部线性化模型的无限时域预测控制器;该法首先基于四旋翼飞行器的动力学特性构建四旋翼飞行器多个ARX的模型结构,并利用结构化非线性参数优化方法辨识模型参数,获取满足工程精度需求的四旋翼非线性动态模型;然后,基于该模型给出了具有状态反馈的LQR控制器设计方法,并通过求解工作点的Riccati方程,获得状态反馈矩阵,最后通过仿真和实时控制结果验证了所提方法的有效性和可靠性。     

微重环境下Cassini贮液腔中液体晃动特性研究

针对我国某一型号大型卫星液体燃料Cassini贮箱（腰为圆柱,两底为半球）,应用有限元方法研究了微重环境下液体的小幅晃动问题和横向受迫晃动问题,采用Galerkin方法得到了系统的有限元离散方程；得到了晃动固有频率和等效力学模型参数.针对周期脉冲激励,推导了液体作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩计算公式并给出了数值计算结果和分析结论.     

四旋翼无人机的系统模型与辨识

研究无人机系统优化控制问题,为实现四旋翼微型飞行器的自动控制飞行,需要得到正确的系统模型参数,实现精确控制。子空间辨识法可以直接地反应出多输出多输出系统模型,算法比较容易实现。首先从四旋翼的力学模型出发,建立了在小角度假设下的线性系统模型,并首次将子空间辨识方法运用到四旋翼飞行器的辨识中。用仿真实例实验,假设飞行器在缓慢上升过程,采用由子空间辨识方法获得的系统模型输出与原系统在同样输入条件下的输出进行了比较。结果表明在假设条件下的辨识具有可行性,为中旋翼无人机优化控制提供了依据。     

Spar平台月池水晃动的等效力学模型及模型参数研究

研究深海Spar平台月池水晃动的等效力学模型,确定模型参数.基于势流理论推导了月池内水体运动的动力学方程,建立了月池内水体晃动的等效单摆模型.采用ANSYS软件建立模型并进行网格划分,采用Matlab软件进行数值计算.运用Galerkin方法求解水体晃动的固有频率、模态函数以及势函数离散解,确定等效单摆模型的模型参数.对比分析了数值模拟结果与解析解,验证了本文计算方法的正确性.建立了不同月池水高度的等效力学模型参数库,为进一步研究平台-月池内流体的耦合运动奠定了基础.     

充液航天器的鲁棒固定时间终端滑模容错控制

本文以三轴稳定充液航天器为研究背景,在其进行姿态机动控制过程中充分考虑了外部未知干扰、参数不确定、执行器故障和控制输入饱和等因素的影响,提出了一种固定时间终端滑模控制策略.动力学建模过程中,利用粘性球摆等效力学模型模拟液体燃料小幅晃动,通过拉格朗日方程推导出航天器的耦合动力学模型.姿态控制器设计过程中,首先构造固定时间...     

极小曲面力学超材料抗冲吸能特性分析

本文基于极小曲面结构构建了一类力学超材料,并研究了其准静态及动态力学特性.首先,通过对等效密度为30%、40%和50%的超材料样件进行准静态压缩试验,分析了不同等效密度下结构准静态力学特性变化规律,结果表明,结构模量及平台应力随等效密度的增长呈指数上升,其变化规律可用Gibson-Ashby模型进行精准拟合;其次,研究了不同冲击工况对极小曲面力学超材料动态力学特性的影响规律.根据动态力学特性影响因素及变化规律,分别构建了刚性-完美塑性-锁定模型和简化吸能特性预测模型,对冲击时的力学超材料强度及吸能特性进行预测.结果表明,基于三周期极小曲面的力学超材料具有良好的抗压抗冲吸能特性,且其动态力学性能可以通过建立的模型进行精确预测,为高性能防护结构设计提供了理论基础.     

折叠翼的理论建模与实验研究

折叠翼是可变体飞行器设计最有前景的方案之一.在折叠变形过程中,飞行器的气动特性以及振动特性将会发生变化.为了研究折叠翼可变体飞行器机翼的振动特性,本文设计制作了折叠板结构,介绍了建立复杂结构力学模型的方法,用力学实验得到用于离散折叠板结构的低阶模态,并且考察了系统可能存在的内共振频率.     

充液挠性航天器时变滑模控制及振动抑制

针对存在外界未知干扰、参数不确定问题的刚-液-柔多体耦合航天器姿态控制进行了研究.将液体燃料的晃动等效为球摆模型,挠性附件假设为欧拉-伯努利梁,建立了多体耦合航天器动力学方程.首先,设计了积分滑模干扰观测器,使其能够在有限的时间范围内对控制系统的集总扰动实现准确估计;其次,以此干扰观测器为基础,设计了一种时变滑模控制方法,该控制运用双曲正切函数;最后,结合光滑整形技术,设计出零振动指令光滑器,从而抑制液体晃动和挠性附件振动.数值仿真结果表明：本文所设计的控制方案具有可行性和有效性,多模态充液挠性航天器在姿态机动过程中所引起的残余振动可以得到有效抑制.     

Nonlinear dynamics and control of space vehicles with multiple fuel slosh modes

This paper studies the modeling and control problem for planar maneuvering of space vehicles with fuel slosh dynamics. A multi-mass–spring model is considered for the characterization of the most prominent sloshing modes. The control inputs are defined by the gimbal deflection angle of a non-throttable thrust engine and a pitching moment about the center of mass of the spacecraft. The control objective, as is typical in a thrust vector control design for a liquid upper stage spacecraft during orbital maneuvers, is to control the translational velocity vector and the attitude of the spacecraft, while attenuating the sloshing modes characterizing the internal dynamics. Subsequently, a nonlinear mathematical model that reflects these specifications is derived. Finally, Lyapunov-based nonlinear feedback control laws are designed to achieve the control objective. A simulation example is included to illustrate the effectiveness of the control laws.     

考虑测量不确定和输入饱和的充液航天器自适应鲁棒控制

本文研究了三轴稳定充液航天器控制系统中同时存在测量不确定,外部未知干扰,参数不确定和控制输入饱和的鲁棒自适应姿态机动控制问题.建模过程中,将晃动液体燃料等效为粘性球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器的耦合动力学方程.提出了一种将反步控制方法结合非线性干扰观测器和指令滤波器的鲁棒饱和输出反馈复合控制策略,该控制策略不仅能继承反步控制方法的优点,而且通过引入非线性干扰观测器实现对未知外部干扰,参数不确定以及测量不确定的补偿,还能利用指令滤波器处理控制力矩输入饱和的不利影响.基于Lyapunov稳定性分析方法证明了系统状态变量的渐进稳定性.仿真结果验证了提出控制方法的有效性和鲁棒性.     

新型解析冗余关系法在传感器故障诊断中的应用

介绍了多容水箱系统所有可能出现的故障类型,并分析了多容水箱系统的结构与特点。利用基于键合图模型的新型解析冗余关系（ARR）方法对多容系统中传感器故障进行了研究。根据键合图理论给出了多容水箱系统键合图模型,通过在系统键合图中加入观测信号和虚拟传感器的方法建立系统的诊断键合,根据诊断键合图模型得到系统的ARR。通过分析诊断键合图的因果关系构建系统的故障特征矩阵。利用20-sim键合图仿真软件对各类故障进行仿真分析,验证了基于键合图模型的新型ARR方法在传感器故障检测与隔离方面的可行性。     

圆柱形贮箱液晃系统稳定性边界分析

本文研究了纵向激励下液晃系统的稳定性边界.首先利用等效摆模型获得纵向激励下液体晃动的等效动力学Mathieu方程,然后利用摄动法得到随阻尼、储液高度及贮箱直径变化时的液晃系统的稳定区域.结果表明,液体晃动阻尼、储液量及贮箱尺寸对晃动稳定性具有显著影响.     

输入饱和的充液航天器抗干扰有限时间滑模控制

研究三轴稳定充液航天器姿态控制过程中存在外部未知干扰、参数不确定和输入饱和的问题,提出一种抗干扰有限时间滑模控制的姿态机动控制方法.将部分充液贮箱内液体燃料晃动等效为球摆模型,采用动量矩守恒定律推导出充液航天器耦合动力学方程.首先,设计有限时间积分滑模干扰观测器,保证控制系统中集总干扰可以在有限时间内被估计;然后,基于...