温度对平流层飞艇蒙皮渗透的影响研究

氦气填充的平流层飞艇在临近空间环境中运行,受到太阳辐照,蒙皮温度变化较大。蒙皮的氦气渗透关系着平流层飞艇运行的时间等问题。从理论分析与实验角度得到温度与蒙皮渗透性的关系,通过数值计算平均渗透率,结合飞艇外形及内部压力范围,估算飞艇的寿命。     

平流层遥感及其关键技术分析

本文结合国内外对平流层飞艇及其遥感应用研究的现状及未来的发展趋势,系统分析研究中需要突破的关键技术,并对科学发展平流层遥感提出若干相关建议和看法。     

平流层飞艇气动阻力的参数分析

为了研究环境参数及外形布局对平流层飞艇气动阻力的影响,在验证CFD数值模拟方法的基础上,从气动阻力包括压差阻力与摩擦阻力的角度探讨了风速、动力粘度系数、空气密度、Re数、长细比及尾翼对飞艇气动阻力的影响规律及机理。结果表明：气动阻力系数随风速与空气密度的增加而减小,随动力粘度系数的增加而增加;气动阻力系数随Re数减小的趋势,取决于摩擦阻力系数随Re数的减小趋势;随长细比的增加,摩擦阻力系数呈现增加趋势,但气动阻力系数呈现先减小后增加的趋势;尾翼对气动阻力系数的影响主要体现在压差阻力系数的改变。     

平流层飞艇充气柔性膜结构的区间不确定优化

根据随体坐标描述法,以变形后的构型作为参考基准,研究构建准确的充气膜结构应变/位移几何关系。利用虚功原理建立平衡方程,同时使用更新的拉格朗日格式(UL格式)保证膜结构分析求解的精度和稳定性。在充气柔性膜结构的分析和优化中引入不确定性参数,通过区间数学理论对其进行刻画。基于区间不确定性优化的模型和算法,对充气膜结构进行区间可靠性优化,为提高膜结构在复杂工况下的可靠性,降低失效概率提供借鉴和参考。     

软式平流层飞艇气弹模型相似参数分析

软式平流层飞艇具有较大的尺寸,基于风洞试验探讨其气弹响应特性时,需要缩比模型取代全尺寸模型。缩比模型的试验结果能否准确地预测原型结构的位移响应,与相似性设计直接相关。该文以设定的某软式平流层飞艇为原型对象,基于量纲分析法推导了模型的相似准则;建立软式平流层飞艇的有限元模型,对不同相似比对应的缩比模型进行了自振及风振响应分析,获得对应的振动频率与位移响应;统计确定了各相似准则对结构振动频率及位移响应的影响程度;对影响程度较大且无法满足相似条件的偏差进行了评估,且给出相应的补偿修正。结果表明：风速偏差的影响可以忽略;蒙皮面密度对位移响应的影响可以忽略;蒙皮张拉刚度及压差的相似偏差,对振动频率及位移响应都有较大的影响。     

平流层飞艇的多目标优化与决策

该文建立了以平流层飞艇阻力最小、自重最轻、极限承载力最大及刚度最大为优化目标的多目标优化模型;采用强度Pareto进化算法(SPEA)进行了多目标优化设计;基于优化所得的Pareto解集,采用基于信噪比的决策方法选择满足实际需要的最终方案。结果表明：采用的SPEA算法是合理有效的,可以得到非劣解分布较均匀的Pareto曲面;通过基于信噪比的决策方法,可从非劣解集中获得满足实际要求的最稳健设计方案。     

平流层飞艇气动阻力的数值模拟及公式拟合

该文以某中间有圆柱段的平流层飞艇为研究对象,在验证数值模拟方法的基础上,分析了尾翼、长细比、高度及雷诺数对飞艇气动阻力的影响。基于参数分析,采用TableCurve3D软件拟合给出了该艇型在水平姿态下的气动阻力系数估算公式,且给出攻角对公式的修正。研究表明：水平姿态下,平均风压系数沿着艇体头部逐渐减小,中间圆柱段保持稳定,沿着尾部逐渐增加;沿着艇体方向,风压系数曲线斜率拐点出现在各段连接附近。尾翼及艇体对阻力系数的贡献值随着俯仰角的增大而增加,但艇体是主要的贡献者;气动阻力系数随着长细比和高度的增加呈现先减小后增加趋势,随着Re数（1.0×10⁷~2.0×10⁸）的增加而递减。     

含初始裂纹的平流层飞艇用蒙皮薄膜撕裂行为

为了研究含初始裂纹蒙皮薄膜的抗撕裂行为,选用Kevlar纤维增强的具有预制初始裂纹切口(PIC)的平流层飞艇用蒙皮薄膜,采用弹塑性断裂力学平面应力分析方法,考虑经纬向纱束之间的滑移摩擦效应,分析了薄膜裂纹尖端的撕裂强度与变形形式,建立了裂纹尖端撕裂物理模型和基于摩擦效应修正的等差法拉伸变形计算模型,获得了裂纹尖端应力集中区的应力分布。为验证计算模型的合理性,分别对PIC长度为10、20、30及40mm的试样进行了撕裂强度试验。结果表明:当PIC宽度比率不超过0.50时,模型计算值与试验值的误差小于4.12%;与改进的应力强度因子法相比,所建计算模型具有更高的计算精度,为平流层飞艇蒙皮撕裂强度的设计提供了一种有效的方法。     

一类非线性切换系统状态观测器的设计

考虑了一类标称系统存在共同Lyapunov函数的不确定非线性切换系统的鲁棒状态观测器的设计问题。系统具有满足Lipschitz条件的非线性项,不确定项不满足匹配条件,设计出了该系统在任意切换策略下的鲁棒渐近状态观测器。仿真结果表明所设计观测器的有效性。     

基于副气囊和舵面的平流层飞艇姿态控制分配策略

采用副气囊和升降舵作为飞艇俯仰控制的执行机构,分别建立了副气囊和升降舵的俯仰操纵模型.在传统加权伪逆法的基础上,提出了变权增量式伪逆法,以使用基于性能指标的变权方法实现控制分配优化,通过增量方式实现了执行机构主动速率约束.比较副气囊和升降舵操纵能力后,采用相对控制量平方和的变权性能方法,实现了基于执行机构操纵能力的最优分配;通过副气囊和升降舵耗能计算,提出了基于实际能量的变权增量式伪逆法,获得了符合执行机构实际耗能最优的分配结果.仿真结果表明,在高速和低速情况下,两种变权方法都取得了较好的姿态控制效果,基于实际能量的变权方法更能反映飞艇执行机构耗能的真实情况.     

临近空间飞艇蒙皮材料研究进展和需求分析

临近空间飞艇具有大范围不间断的高效信息获取与传输能力, 是近期国际上竞相发展的未来信息平台。蒙皮材料是临近空间飞艇的主要材料, 其质量和性能决定了飞艇的大小、 寿命和成本, 是发展临近空间飞艇的基础。本文中针对临近空间飞艇蒙皮材料选取和应用存在的若干困难, 从蒙皮材料工程需求出发, 对蒙皮材料的强度、 耐候性、 阻隔性和试验评价方法等方面的研究现状进行总结和分析, 讨论未来高性能临近空间飞艇蒙皮材料的研究发展方向。     

基于患肢状态观察器的被动康复训练运动控制

针对机器人辅助被动康复训练运动很少考虑训练过程中患肢状态变化的情况,提出了基于患肢状态观察器的被动康复训练运动控制方法.该方法用患肢状态观察器根据位置和速度跟踪误差提取患肢运动特征,运用模糊推理逻辑实时评估患肢物理状态;然后动态规划决策机制根据患肢状态自适应地调整规划运动速度;最后利用位置阻抗控制实现训练运动.定量和定性两类实验结果表明,该方法较传统方法具有更好的跟踪性能和运动平稳性,且能够实现人性化和智能化的康复训练运动.     

Stochastic modeling of classifying aerodynamic lenses for separation of airborne particles by material and size

A flexible stochastic approach is described to model separation processes, in which air-borne particles are separated via a setup of one or more aerodynamic lens orifices. Varying the size of the orifices, the focusing pressure and the mass flow rate through the lens, leads to focusing of particles with distinct aerodynamic properties on the central axis. In this modeling approach a bivariate transfer function is used to describe the passage probability of particles depending on their size and mass. The distribution of feed particles and the changes of the distribution due to the separation process is described via probability densities. The modeling procedure is applicable to various kinds of separation methods and allows optimization of geometric and operation parameters. To this end, the model utilizes flexibly defined separation performance measures which are illustrated in a case study that considers the separation of Cu particles from SiO₂ particles. The spherical particles in the considered virtual mixtures are described by their log-normally distributed diameters and their normally distributed mass densities. Furthermore, the cases are selected in such a manner that the mean aerodynamic diameters of both Cu and SiO₂ particles are equal.     

扩维观测器用于共享控制系统的模型参数辨识的研究

针对基于因特网的共享控制系统无法对被控对象的模型参数进行在线辨识的问题,提出了一种在时变时延的网络环境下,服务器在线辨识被控对象模型参数的方案.该方案在服务器端使用扩维观测器观测被控对象模型的各阶状态变量,并结合网络通讯技术实现在因特网环境下对接入系统的被控对象模型参数的在线辨识.将该方案所得的辨识结果与无网络环境因素影响下的辨识结果进行了仿真实验对比验证,实验结果表明该方案是有效可行的,不仅实现了在网络环境下服务器对不同地域的被控设备对象模型参数的在线辨识,而且也扩展了系统辨识的应用范围.     

Optimal design of flux observer in induction machines

Abstract

Flux estimation is essential in most advanced control schemes of induction machines like indirect field‐orientation control and feedback linearizing approach. In this paper, optimal control theory and Lyapunov stability analysis are applied to design the full‐order flux observer of induction machines. The observer refers only to measurable quantities which are composed of terminal voltages, currents and rotor speed. The time‐invariant and time‐varying portions of the error dynamics of the observer are minimized separately. The degree of relative stability of the observer can be prescribed at the beginning of the design and is independent of speed variations. In the presence of uncertainty in rotor resistance, a sufficient condition for the design with bounded estimation errors is derived and the resultant residual can be formulated explicitly. Results from computer simulations show that the method exhibits excellent convergent characteristics and robustness to rotor resistance uncertainty.     

一类非线性系统自适应观测器的设计

研究了一类有未知参数的非线性系统观测器的设计问题.在先前的研究中,与未知参数有无的项只同输入输出有关,或者系统的相对阶为一.现对相对阶为二的二维系统提出了一种观测器的设计方法,允许和未知参数相关的项与所有状态有关;同时对高维情况也作了初步考虑,并举例说明了本方法的有用性.     

Speed control for the lateral swing of aerial cameras based on an improved extended state observer

This study proposes an improved extended state observer (ESO) to eliminate the effects of disturbances on the speed control system of an aerial camera lateral swing. First, a mechatronics model of lateral swing, which includes a rotating mechanism, principal axis, and motor, is constructed. Meanwhile, a mathematical model of the motor speed loop is built to design the improved ESO. Second, a new nonlinear function that exhibits better continuity and smoothness than previously available functions is proposed to reduce high-frequency ?utter. The improved ESO is designed based on the new nonlinear function. The nonlinear dynamics, model uncertainty, and external disturbances of the speed control system are extended to a new state, and the improved ESO is implemented to observe this state. The overtime variation of the speed control system is predicted and compensated for in real time using the improved ESO. The improved ESO sufficiently eliminates the disturbances on the speed control system of the aerial camera lateral swing. Third, the parameters of the improved ESO are determined, and its convergence is analyzed. Finally, simulation experiments and discussions were conducted and results show that the speed control system with the improved ESO exhibits better performance.     

基于观测器的单相逆变器控制技术研究

基于单相逆变电源的数学模型,设计了一种能保证系统渐进稳定的控制方案.方案根据李氏稳定理论进行设计,并利用观测器观测控制律中的状态变量,同时采用滤波器对原始参考输出信号进行处理,用以产生控制律所需的连续光滑的输出信号及其微分量,设计保证了系统的稳定性及输出电压跟踪误差的收敛性.理论分析及实验结果均验证了控制方法的有效性.     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。     

飞艇囊体薄膜材料的双向拉伸试验及结构仿真

飞艇囊体膜材的弹性常数是飞艇外形设计、结构分析、动力学分析的基础。本文根据正交异性平面应力模型假设,应用双向拉伸试验方法获得了飞艇囊体膜材HV130在不同载荷比条件下的经纬向弹性模量和泊松比。对飞艇囊体进行应力分析,得到囊体应力的理论解及环向应力和轴向应力的载荷比。根据飞艇囊体受力情况,选取对应的弹性常数,对飞艇进行不同压差条件下的静力学仿真分析。利用非接触应变测量系统测试不同压差条件下飞艇囊体的变形情况,验证了双向拉伸试验所得的弹性常数的准确性和仿真分析的可靠性。本文能为飞艇的外形设计和结构分析提供参考。