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。

飞翼布局飞机阵风减缓主动控制风洞试验

飞翼布局飞机具有优越的隐身和气动特性,但由于布局原因无法配置常规控制面,因此常规布局飞机的阵风减缓控制方法不再适用。针对大展弦比飞翼布局飞机,设计了风洞模型、具有沉浮和俯仰2个方向自由度的支持系统以及能够产生连续正弦阵风的阵风发生器,采用经典控制律理论设计了能够同时减缓翼尖过载和翼根弯矩的3组控制方案,开展了阵风减缓主动控制风洞试验,对开、闭环试验数据进行了分析。试验数据表明,和正常式布局飞机不同,阵风引起的飞翼布局飞机的翼尖过载和翼根弯矩在俯仰模态对应的频率处有一个很大的峰值,而在一弯频率附近峰值比较小;对于不同控制面组合,阵风减缓效果不一样;对于飞翼布局飞机,选用合适的控制面组合可以有效减缓阵风载荷和阵风响应。

一种基于M IMO系统动态渐近解耦的阵风减缓方法

提出了一种M IMO系统的动态渐近解耦方法。该方法基于输出反馈、部分状态反馈以及极点配置技术,通过调整控制器参数,将闭环系统的零、极点配置在期望位置上,使闭环传递函数的主对角元素占优,同时将非主对角线元素的动态增益调至最小,从而实现了M IMO系统的动态渐近解耦控制。用该方法对某主动控制飞机的垂直平移模态(直接力控制)进行了解耦设计,并将其应用于飞机的阵风减缓。用该方法设计的垂直平移模态与未采用主动控制技术的飞机进行仿真对比,其抗风性能提高了36%。

基于直接力控制的阵风响应及阵风减缓研究

考察某无人机模型的阵风气动响应特性和基于直接力操纵的阵风减缓效果。在求解非定常Euler方程时引入"网格速度"方法模拟阵风边界条件,通过动态嵌套网格技术实现舵面运动。首先对NACA0006翼型迎角阶跃型阵风的气动力响应进行了验证计算,计算结果与理论结果、文献计算结果吻合良好。在此基础上对某无人机模型在迎角阶跃型、One-minus-cosine型阵风作用下的气动力响应过程进行了数值模拟,并分析评估了不同舵面运动方式对飞机气动性能的影响。最终研究比较了不同舵面运动方式下阵风气动响应的减缓效果。结果表明:通过合理设计舵面运动,可以有效达到抑制阵风引起的非定常气动干扰的目的。

基于舵机动态特性测试的阵风减缓控制系统设计

利用所设计的舵机测试系统对飞翼布局阵风减缓试验模型所采用的伺服舵机(Hitec-7954SH)带载情况下的动态特性进行测试,并根据试验数据辨识出舵机的传递函数。设计舵机补偿控制系统补偿舵机的幅值衰减和相位滞后,并在此基础上设计阵风减缓控制系统。仿真计算表明:在von Karman连续阵风激励的情况下,所设计的控制系统能有效减缓模型的阵风响应。然而,舵机动态特性会对阵风减缓控制系统产生影响:幅值衰减会降低阵风减缓控制系统的减缓效果而相位滞后会使得所设计的阵风减缓控制系统在某些频率范围内加剧飞机的阵风响应。比较舵机补偿控制系统开/闭状态下模型的阵风响应,在断开舵机补偿控制系统的情况下,所设计的阵风减缓控制系统的减缓效果降低,甚至加剧某些响应,说明舵机补偿控制系统的必要性,并为之后的风洞试验和飞行试验提供参考。

气动弹性系统的阵风减缓与颤振主动抑制

针对Ｊ８飞机模型，研究了阵风减缓与颤振主动抑制的综合控制问题。应用现代控制理论设计控制系统，分别对机翼／外挂系统模型作开环和闭环分析。由数字式控制实现了阵风减缓与颤振主动抑制的风洞实验。风洞实验结果表明：设计控制律具有抑制颤振和减缓阵风响应的双重功能。

基于控制分配方法的阵风减缓控制律设计

采用控制分配方法,进行飞机垂直阵风减缓控制律设计。垂直阵风减缓控制律设计的目标是由操纵面产生直接升力抵消阵风引起的过载变化。控制分配方法用来解决如何由多操纵面来产生所需的力和力矩的问题。在阵风减缓控制律设计中,采用控制分配方法计算出为消除过载扰动量所需的操纵面增量,从而直接实现阵风减缓控制。仿真表明,设计的阵风减缓控制律对于垂直离散突风和紊流干扰均具有很好的控制效果,并且对于建模误差具有一定的鲁棒性。

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。

考虑舵机时滞的阵风减缓主动控制律设计

针对存在舵机时滞环节的气动伺服弹性系统,提出基于Padé近似和线性二次高斯(LQG)控制的阵风减缓主动控制律设计方法。利用Padé近似将舵机中的时滞环节线性化为一个高阶传递函数并引入气动弹性模型,建立线性的阵风减缓受控模型;利用LQG控制方法对线性化模型设计阵风减缓主动控制系统,并采用平衡截断法对所设计的控制系统进行降阶;利用Simulink将所设计的控制系统引入非线性模型中,得到von Karman连续阵风激励情况下系统的开/闭环响应情况。计算结果表明:根据所提方法设计的阵风减缓主动控制律能有效降低原气动伺服弹性系统的阵风响应,对研究对象机身过载的抑制在15%左右,而对翼根弯矩的抑制达到25%以上。

飞翼布局无人机阵风减缓主动控制研究

阵风减缓是弹性飞行器研究的重要内容之一,针对某大展弦比飞翼布局弹性无人机,考虑刚体模态俯仰控制回路提出了阵风减缓控制方案,在控制器设计前后分别进行模型降阶,设计出低阶的输出反馈鲁棒控制器,闭环系统控制仿真结果显示对于离散突风翼尖加速度响应最大振幅减小21.8%,重心加速度响应最大振幅下降39%;对于连续阵风整个频带内阵风响应都得到有效控制,且在6.024 Hz处翼尖过载响应振幅下降53%,重心过载响应振幅下降45%,同时由抗阵风不灵敏度研究表明整个闭环系统具有抗阵风干扰能力。

基于多目标粒子群优化的阵风减缓控制律设计

为了减缓民用飞机在巡航和机动飞行过程中受到的大气紊流的附加过载影响,增加飞机的飞行稳定性。首先构建了飞机—阵风增广数学模型,并采用直接升力控制原理设计了三种不同的阵风减缓控制方案;然后在多目标粒子群算法中引入遗传算法中的杂交概念,进行算法改进,得到MOPSO_PID算法,并将改进算法应用到各方案中去。仿真结果表明:同样的条件下,使用副翼作为直接升力舵面比使用内侧扰流片作为直接升力舵面的阵风减缓控制效果好,同时改进的多目标粒子群优化算法可靠有效。

阵风减缓直接升力控制方案的仿真研究

阵风减缓技术可有效地抑制飞机飞行过程中受到阵风和湍流影响所产生的附加过载。研究阵风载荷减缓的基本原理及各种控制方案 ,结合我国的实际情况 ,提出了以副翼作为直接升力操纵面的阵风减缓控制方案 ,建立了直接升力控制的阵风减缓系统的数学模型 ,并就阵风减缓系统进行了计算机辅助设计与仿真 。

地形跟随系统中的自校正阵风减缓控制

本文对隐式多维极点配置广义最小方差自校正控制在地形跟随系统中的应用进行了研究.所采用的算法结构,可以满足飞机跟踪精度的要求,克服了选取加权因子的困难.并且,选取独立于加权因子的参数来实现在线调整加权因子,使闭环极点能够迅速地处于期望的位置上.仿真结果表明,系统的动态性能符合规范要求,跟踪误差也在允许的范围之内.

跨声速机翼阵风减缓研究

阵风响应分析是大型民用飞机设计必不可少的工作.利用操纵面的主动偏转实现机翼阵风减缓是未来民用飞行器的一个关键技术.基于CFD/CSD耦合的气动弹性仿真方法,将阵风视为输入,翼根弯矩作为输出,通过系统辨识方法建立跨音速阵风响应的状态空间分析模型.而后将副翼作动位移视为系统输入,建立副翼作动对应的机翼响应分析模型.耦合上述2个模型,通过最优控制方法设计副翼偏转的控制律,实现跨音速机翼的阵风响应减缓.通过设计状态观测器得到最优控制反馈所需的状态量.通过数值算例验证了所设计的阵风减缓控制律的育效性,能将翼根弯矩减少60%～80%.

一种弹性机翼的颤振主动抑制与阵风减缓方法

由于航空器的弹性性质,飞行过程中飞行参数的不断变化会引发运动稳定性和阵风响应特性的改变。在设计颤振主动抑制或阵风减缓控制器的过程中,以某一飞行状态为基础设计出的控制律往往不能保证在一定飞行参数范围内的性能。针对此问题,首先通过非定常气动力有理拟合方法建立时域连续阵风响应状态空间方程,再考虑模型随马赫数和动压的变化特性建立线性参数变化(LPV)模型。最后以线性参数变化模型为基础构造了包含动压和马赫数参数不确定性的线性分式变换模型,并设计了机翼颤振主动抑制与阵风减缓鲁棒控制器。结果表明,对于算例机翼,其在马赫数0.5~0.7范围内的颤振动压平均增大10%,且在飞行参数不断变化的时域仿真中,翼尖过载的均方根值降低51.4%。

多控制面柔性翼飞行器阵风减缓研究

小型柔性翼飞行器遭遇较强阵风时会引起姿态和质心加速度的剧烈变化,并诱发柔性机翼的弹性运动,甚至导致失稳.柔性翼飞行器的阵风减缓控制需要同时考虑刚体自由度和弹性自由度.基于最小状态法,将频域非定常气动力转化成时域状态空间形式.推导了离散阵风和连续紊流扰动下,柔性翼飞行器的纵向状态空间方程.采用预测控制方法设计了阵风减缓控制器,提出了多控制面控制分配策略,解决了强阵风扰动下独立控制面控制力不足的问题.仿真结果表明,模型预测控制能够有效减缓离散阵风和连续阵风扰动下飞行器的结构载荷,稳定刚体运动和弹性运动,其控制效果优于线性二次高斯(LQG)控制.

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。

基于状态空间涡格法的阵风减缓分析

阵风响应计算及阵风减缓控制系统设计是飞行器气动弹性分析中的重要内容。基于状态空间涡格法(VLM)建立飞行器阵风气动力模型,给出有限元结构模态及控制面模态广义自由度与涡格法控制点边界条件的插值关系,建立适用于复杂模型的阵风响应分析方法,弥补了传统阵风响应分析方法需要进行有理函数拟合或迭代计算资源消耗大等不足。在此基础上,基于经典PID控制方法设计阵风减缓控制系统,仿真得到离散阵风及von Karman连续阵风激励下的系统开/闭环时域响应情况,对比响应幅值计算减缓率。仿真计算结果表明:根据所提方法建立的阵风响应分析方法准确,阵风减缓控制系统能有效降低原气动弹性系统的阵风响应。

基于受限参变率的飞翼无人机舵面阵风减缓控制

飞翼无人机具有俯仰惯量低、纵向稳定性弱等问题,使其阵风响应对飞行参数的变化较为敏感,并且飞翼无人机的舵面较多,不同的控制策略下阵风减缓的效果不同。因此,对这类飞行器进行考虑参数变化率阵风减缓线性变参数(LPV)控制律设计,并对不同舵面组合方式的控制性能展开对比研究。结合参数依赖的Lyapunov函数方法和变参斜投影降阶算法,构建了同时考虑参数变化率限制和模型降阶条件的LPV阵风减缓控制器。基于该方法对Mini-MUTT飞翼无人机模型设计LPV阵风减缓控制器;探究了不同舵面控制策略对减缓效果的影响。结果表明:采用变参斜投影降阶算法得到的降阶模型可有效表征全阶模型的动力学特性;设计的LPV阵风减缓控制器能够保证阵风在较宽速度范围内有效减缓;在单一舵面阵风减缓中,置于外侧的舵面控制效果优于内侧舵面;而在双舵面阵风减缓中,双舵面的控制效果优于单一舵面,但控制所需输入能量也会增加。在工程应用中需要针对具体问题,综合考虑控制效果和能量消耗以确定合适的控制策略。

基于模型预测控制的阵风减缓技术研究

针对传统控制方法在系统存在约束时性能下降的问题,采用了基于模型预测控制的阵风减缓方法。模型预测控制采用在线滚动优化策略,相比传统控制方法,能够应对由于约束和干扰等导致的系统性能恶化。系统以某大型飞机为例,对飞机进行了考虑阵风效应的动力学方程建模。分别采用模型预测和线性二次高斯控制方法设计阵风减缓控制系统,仿真结果表明,模型预测控制在无约束时性能与传统线性二次高斯控制基本一致;而当系统存在约束时,模型预测控制相比线性二次高斯控制器具有更优的性能。