基于改进动态逆方法的非定常气动力下过失速机动控制律设计

针对非定常气动力作用下基于常规动态逆的过失速机动控制时的误差大和迟滞强的问题,提出了一种实用的改进动态逆控制方法,实现了非定常气动力下过失速机动的精准控制。首先,基于双轴耦合大幅振荡下的先进战斗机缩比飞机模型风洞实验数据,通过改进的极限学习机(ELM)方法建立了准确的非定常气动力模型。其次,基于时标分离的思想,通过在快回路中增加积分环节减小了非定常气动力引起的控制误差;通过在较慢回路中引入滞后校正环节,消除了非定常气动力引起的控制迟滞,并结合串接链方法实现了常规气动舵面和推力矢量喷口的偏转分配。最后,推导了过失速机动时非定常气动力建模过程中关键变量缩减频率的计算公式,并通过该缩比模型"赫伯斯特"过失速机动数字仿真,对比验证了新方法的有效性,为后续过失速机动的试飞验证提供了实用可靠的工程途径。     

非定常条件下大迎角机动控制

针对推力矢量飞机在非定常气动影响下的机动控制问题,提出一种大迎角俯仰机动的控制器设计方案.采用干扰观测器方法对机动过程中的非定常俯仰力和力矩进行估计,并在控制端进行俯仰力矩补偿以及适当的升力补偿,建立了统一参数下飞机线性参变(LPV)模型和外部干扰LPV模型,并基于LPV模型设计了标称控制器和干扰观测器.从大迎角机动仿真中可以看出,控制系统能够控制迎角较好地跟踪输入指令,同时对机动过程中存在的非定常干扰能进行有效地抑制.仿真结果表明利用干扰观测器的方法较其他方法具有更好的控制性能.     

水平轴风力机叶片非定常气动特性分析

针对水平轴风力机叶片的非定常气动特性,采用状态空间描述的、改进的BL动态失速模型进行风力机翼型非定常气动力分析.模型采用不可压缩假设并忽略了前缘流动分离所产生的非定常效应,考虑气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应以揭示翼型在任意运动中的非定常气动力.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中2个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另2个用于描述后缘分离效应,得到了风力机翼型非定常气动升力、阻力和力矩状态变量表达式及计算流程.通过对NACA0012风力机翼型的非定常气动力分析表明,模型能较好地描述风力机翼型的动态特性.     

基于非定常气动力低阶模型的气动弹性主动控制律设计

传统的气动伺服弹性系统设计主要采用基于频域的非定常气动力有理函数拟合方法。该方法用于非线性非定常气动力情况，比如跨音速飞行时往往失效。针对该问题，在发展了非线性非定常气动力建模方法的基础上，提出了将非定常气动力低阶模型用于气动弹性系统主动控制设计的一般方法。该方法将气动伺服弹性系统分解为气动、结构和控制3个子系统，分别建立各子系统状态空间模型，然后组装成完整的气动伺服弹性模型。非线性非定常气动力状态空间模型采用基于Volterra级数的非定常气动力低阶模型方法。根据研究对象的具体情况，分别建立了气动伺服弹性系统的全耦合模型和部分解耦模型。最后以一个二自由度气动弹性系统的主动控制律设计为例，详细说明了该方法建模、分析和设计的全过程。算例表明该方法能够用于非线性情况，适用性强，可扩展性好，具有良好的集成性，能方便地应用于气动伺服弹性多学科优化设计。     

非线性结构自适应模型逆飞行控制律设计研究

文章结合自适应控制、模型参考控制和动态逆控制理论提出了结构自适应模型逆非线性控制系统,设计了飞行控制器.通过李亚普诺夫稳定性定理推导了自适应规律,保证了闭环系统的稳定性.仿真表明该方法对模型参数不准确和外界干扰具有很好的自适应能力,能够满足飞机在过失速机动条件下的控制指令跟踪,且系统具有良好的控制性能及鲁棒性.     

垂直/短距起降飞机非线性动力学建模与仿真

垂直/短距起降(V/STOL)飞机具有广泛而高效的军事应用前景.为研究V/STOL飞机复杂的飞行控制问题,需要建立能够准确反映其动态特性且可用于飞行仿真的动力学模型.综合考虑V/STOL飞机的多进气道气流量变化、大迎角非线性和迟滞非定常特性、地面效应和喷气诱导效应等因素的影响,利用线性叠加原理并结合机理建模与经验公式,建立了全面的推进/气动力与力矩模型;在此基础上,基于刚体动力学和运动学原理,推导得到了V/STOL飞机的全状态六自由度非线性数学模型;最后,仿真分析了V/STOL飞机的地面效应和喷气诱导效应引起的动力学变化及其三角翼非定常动力学特性.结果表明:地面效应对V/STOL飞机动力学的影响可以忽略,而近地飞行时的喷气诱导效应会导致较大的升力损失,离地越近损失越大;V/STOL飞机的非定常动力学源于飞机迎角变化所引起的气动力滞环效应,且迎角越大、空速越小,滞环效应越显著,非定常动力学特性越强.所建模型物理意义明确、计算方便,能够较为准确地反映V/STOL飞机的动力学特性,可为其不同飞行模式下的模型简化应用和飞控系统设计提供帮助.     

某型电动飞机大迎角失速/尾旋特性及试飞研究

飞机在大迎角飞行时,其表面气流发生严重分离,气动力的线性变化遭到破坏,操纵性和稳定性出现不同程度下降,导致飞机失速或进入尾旋,失速特性与尾旋特性直接影响飞机的安全性.为了分析失速/尾旋特性,以某型大展弦比双座电动飞机为例,在风洞试验数据基础上建立了全量六自由度非线性大迎角动力学模型,经过数值仿真计算和分析,获取了某型电...     

超机动非线性自抗扰反演控制律设计

为提升建模不确定性下的超机动飞行控制性能,提出一种基于自抗扰反演的超机动非线性控制律设计方法.建立了具有大迎角特性的飞机六自由度非线性模型,通过由前至后递推的设计思想,逐步迭代设计Lypaunov函数与虚拟的控制输入量,实现强非线性飞机对象的控制.对建模不确定性给超机动控制性能带来的影响,将自抗扰控制方法中的扩张状态观测器与反演控制方法相结合,利用扩张状态观测器不依赖系统模型的特点,实时观测并补偿建模误差对飞行控制的影响.超机动数字仿真结果表明:所设计的超机动非线性控制律能够实现大迎角控制,在40%建模误差的影响下,迎角响应仍平滑稳定.基于自抗扰反演的超机动非线性控制方法具有优异的大迎角机动飞行控制性能.     

基于免疫粒子群优化的反演超机动飞行控制律

提出了一种基于免疫粒子群优化的CMAC反演超机动控制律设计方法。推导并建立了具有大迎角特性的飞机六自由度非线性模型并与发动机模型进行综合。对飞机非线性模型进行重新构建,利用反演方法,通过逐步迭代设计Lypaunov函数并采用CMAC神经网络逼近系统的不确定性形成虚拟的控制输入量,在实现超机动非线性飞行控制律设计的同时对模型不确定性进行自适应补偿。为了提高控制性能与设计效率,将免疫调节机制、粒子群算法与反演控制结合,对控制器参数进行优化设计,形成了基于免疫粒子群优化的反演超机动飞行控制律设计方法。超机动数字仿真结果表明:所设计的超机动飞行控制律能够实现大迎角控制,并具有优异的大迎角机动控制性能。     

基于CFD方法的阵风响应与阵风减缓研究

通过设计舵面的同期运动,可以达到缓解飞行器遭遇阵风时引起的非定常气动力与力矩干扰的目的。文章通过引入"网格速度"模拟阵风条件,求解非定常欧拉方程实现了翼型阵风响应的数值模拟;并通过动态嵌套网格方法研究了舵面运动时的阵风减缓效果。首先采用该方法对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好。进一步对NLR两段翼型在迎角阶跃型、One-m inus-cosine型阵风做用下的气动力响应过程进行了数值模拟,对襟翼运动时的阵风减载效果进行了分析,并研究比较了襟翼运动参数对阵风减缓的影响。结果表明:通过合理设计舵面运动方式,可以很好抑制阵风引起的非定常气动干扰。     

基于Peters-ONERA模型的失速颤振特性研究

采用Peters模型模拟线性气动力,ONERA失速模型模拟由于动态失速引起的非线性气动力,通过耦合结构运动方程,建立了状态空间(state-space)形式的气动弹性控制方程。采用欧拉预估-校正方法对该方程进行时域推进求解,采用特征根轨迹分析技术在频域内对气动弹性系统进行稳定性分析。基于Peters-ONERA气动力模型对动态失速现象进行模拟,结果表明该气动力模型可以准确地捕捉动态失速气动力的主要特征。采用该气动弹性模型对亚松弛迭代(under relaxation iteration)方法在静气动弹性求解稳定性中的影响进行了研究,研究结果表明,亚松弛迭代可以增强静气弹求解的稳定性。分别采用频域和时域方法对失速颤振中的颤振临界特性和分岔(bifurcation)现象进行了研究,并分析了初始扰动对系统响应的影响。研究发现:(1)在大攻角下,非线性气动力模态与结构模态的耦合可能导致结构模态的失稳,从而诱发系统的单自由度颤振;(2)初始攻角的改变会显著影响系统的分岔特性;(3)在不同的扰动范围内,气动弹性系统对扰动的敏感度不同,扰动增强可能会使系统原先稳定的状态被激发为极限环振荡(limit cycle oscillation,LCO)状态。     

三角翼大迎角俯仰运动气动特性数值研究

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,对76° 后掠角三角翼作大迎角俯仰运动时的动态气动力系数进行计算,研究三角翼以不同频率进行大迎角俯仰振动和在不同迎角范围内进行俯仰振动的非定常气动力系数变化特征,对减缩频率和振动所在的迎角范围对三角翼动态非定常气动力迟滞特性的影响进行分析.计算结果表明,在三角翼作大迎角俯仰谐振荡过程中,升力、阻力和俯仰力矩系数曲线都形成明显的滞环,且随着减缩频率增加,所产生的迟滞特性明显增强;在同一减缩频率下,三角翼在较大迎角范围内作周期振动时,所表现的迟滞特性明显不同.     

飞机纵向飞行品质对大迎角气动导数的敏感性研究

采用等效系统方法研究在失速迎角前大迎角区气动导数Ｃｍδｈ、Ｃｍｑ、Ｃｍａ及Ｃｚａ改变时对具有现代控制系统的战斗机纵向动态特性的影响。结果表明,导数中Ｃｍｑ、Ｃｍａ的影响很小,Ｃｍδｈ的影响相对而言则大得多,Ｃｚａ影响很大。     

飞机模型俯仰-滚摆耦合复杂流场测试系统设计

为真实地模拟飞机机动飞行和分析俯仰－滚摆耦合状况下的动态气动特性和复杂流动机理，首次在风洞中实现了模拟飞机的俯仰与滚转的复合运动。使用E型架结构实现飞机模型俯仰角α的正弦运动，同时在E型架上安装交流伺服电机直接控制飞机模型的滚转角Φ；本系统采用了旋转编码器的输出脉冲来测量模型的转角，并记录下该脉冲出现的时刻，用这些数据得到飞机模型在风洞实验中滚转角的时间历程和滚转力矩特性，并用激光片光系统进行流态显示，使用这套系统得到了俯仰－滚摆耦合运动下的气动特性。分析表明，俯仰－滚摆耦合状况下进一步推迟了滚摆开始攻角，不稳定性增加，同时证明该系统满足风洞实验要求。     

飞行器快速俯仰产生大迎角非定常气动力数学模型研究

在Goman提出的状态空间模型的基础上,开展了有关建立大迎角非定常气动力数学模型问题的研究。针对以往在运用状态空模型建立大迎角非定常气动力数学模型中存在的问题,通过分析状态方程中非定常影响参数与减缩频率（或无量纲俯仰角速率）的关系,建立了改进数学模型的基本思路。同时运用插值方法给出了二之间的关系,并将引结果引入状态方程中。经过辨识验算后表明,改进后的模型不仅改善了该模型对气动力的预测准确度,同时也提高了描述大迎角非定常气动力的能力。     

ASTOVL升力风扇飞机的纵向控制系统研究

ASTOVL升力风扇飞机是多变量、强耦合、复杂的非线性系统,采用非线性动态逆理论设计控制律以实现系统的非线性对消及解耦,然后,采用线性系统的设计方法对系统进行设计,以使系统获得期望的飞行品质。同时,考虑到ASTOVL升力风扇飞机是由气动舵面和力矢量融合作用的,为了延缓各舵面进入饱和的时间,采用加权广议逆中的极小N－范数广义逆定量分配力矩指令,从而使各舵面达到适当的偏转角。并将所设计的控制律进行了仿真,结果验证了所设计的动态控制律使系统实现了非线性对消和解耦,单个指令作用时,只有该项响应,其余不受影响;所有指令作用时,其结果就等于单个指令作用时的线性叠加,这样使驾驶员的操纵大大简化而易于控制,从而大大降低了飞行事故率。     

大展弦比复合材料机翼研究进展

长航时无人机普遍采用轻质、高比强度复合材料结构大展弦比机翼,该类机翼在飞行过程中表现出显著的几何非线性和气动非线性,进而导致机翼的气动弹性非线性.大展弦比复合材料机翼的设计分析方法与传统机翼有很大不同.为研究大展弦比复合材料机翼的进展,并预测其未来可能的发展方向,对现有大展弦比复合材料机翼设计、分析、试验方法进行分析总结.首先,对大展弦比复合材料机翼结构设计方法、结构分析方法进行了介绍;然后,介绍了两类用于大展弦比机翼的气动力分析方法:基于片条理论和二元非定常气动力相结合的气动力分析方法以及考虑展向流动效应的三维气动力分析方法,重点总结了复合材料大展弦比机翼静气动弹性、动气动弹性分析方法以及主动控制技术在大展弦比机翼中的应用,并分析了大展弦比复合材料机翼气动弹性剪裁最新进展;最后,综述了大展弦比复合材料机翼试验研究进展.基于文献分析可知,现有大展弦比复合材料机翼的结构模型多采用等效梁板模型,气动模型多采用片条理论与考虑动失速的二元非定常气动力相结合的模型.气动降阶模型与结构模型相耦合进行相关研究,以及大展弦比复合材料机翼的飞行试验,均是大展弦比复合材料机翼未来可能的研究发展方向.     

基于多元样条函数的变体飞机非对称气动力建模

针对变体飞机在变形过程中气动参数变化剧烈,气动数据模型复杂、高阶且含有强非线性这些特性,提出了一种采用多元样条函数对变体飞机气动参数进行建模和估计的方法,解决了变体飞机非对称变形过程的气动力建模问题。首先给出了基于多元样条函数模型结构的变体飞机气动系数模型,该模型能够描述任意对称和非对称的气动力情况;然后详细介绍了多元单形样条函数参数估计流程并推导了具体公式;最后通过误差分析确定了最终模型结构,并通过坐标转换得到总体坐标系中的气动参数多项式模型。结果表明,该方法无需预知变形相关的气动参数具体模型结构,能够得到准确描述任意对称和非对称变形状态下的变体飞机气动力模型。     

极端运行阵风下后掠型风力机叶片的气动特性研究

基于多体系统动力学和升力线气动模型,考虑柔性后掠叶片动态失速和气动弹性耦合问题,建立了风力机气弹耦合模型,研究极端运行阵风及阵风作用时间对某5 MW后掠风力机叶片气动性能的影响。结果表明：极端运行阵风对叶根挥舞力矩、功率、攻角、升力系数和轴向推力等气动特性具有较大影响。研究工作对风力机的结构优化设计和疲劳寿命设计具有重要作用。     

ASTOVL升力风扇飞机的组合飞行/推进控制系统的研究

介绍了推力矢量技术,动态逆原理,研究了推力矢量喷管,升风风扇以及气动舵面组合作用下ASTOVL升力风扇飞机的飞行／推进控制系统,采用非线性动态逆理论并针对ASTOVL升力风扇飞机的俯仰控制,设计了动态逆控制律,并将所设计的控制规律进行了仿真。结果证明,该方法能够满足控制系统性能的要求,具有工程应用前景。