基于推力矢量分配的ROV姿态控制技术研究

针对遥控水下机器人(ROV:Remote Operated Vehicle)在水下作业时,传统滑膜控制(SMC:Sliding Mode Control)方法存在抖振、稳定性差等问题,提出一种新型协同控制律,并设计出一种基于推力矢量分配的ROV姿态控制器。首先,建立ROV运动学和动力学模型,并解耦动力学模型;然后,提出了一种新型协同控制律,通过构造适当的宏变量使其呈指数收敛,从而为ROV姿态控制系统提供连续的控制律,达到消除ROV姿态控制系统抖振的目的;最后,采用新型协同控制律设计出基于推力矢量分配的ROV姿态控制器。通过Matlab/Simulink进行仿真,结果表明,所提出的新型协同控制律可提高ROV姿态控制系统的控制精度与稳定性。该控制策略为ROV姿态控制提供了一种新的可行方案。

S弯收扩喷管过膨胀状态下流动分离特性研究

为了研究S弯收扩喷管过膨胀状态下的流动分离特性,数值模拟了不同落压比(NPR)下S弯收扩喷管内的流动特征。结果表明:在落压比为2.0时,喷管内发生非对称分离,出现非对称的双“λ”激波结构,喷流整体向上偏转,上侧出现限制性流动分离RSS,下侧出现自由性流动分离FSS,并产生三维分离涡,喷流出现明显的三维效应。随着落压比从高度过膨胀状态下开始增加,喷管下侧保持FSS不变,喷管上侧RSS逐渐向后移动,直至与外界大气相连,转变为FSS,之后随着落压比增加,上下侧分离结构逐渐对称。推力矢量角随着落压比的增加先增加,后在极小的落压比变化范围内快速降低,直至变为0°,之后保持0°不变。

双轴承旋转喷管型面设计及数值模拟研究

针对短距/垂直起降战斗机高机动飞行的迫切需求及其矢量喷管机械结构复杂笨重的问题,提出了基于轴对称双喉道气动矢量喷管设计的双轴承旋转喷管,通过采用双轴承结构和双喉道气动矢量喷管相结合的方式,减少驱动结构,使喷管能更高效、轻便地实现短距/垂直起降,并且赋予了飞行器平飞模态高机动飞行的潜力。基于典型轴对称双喉道气动矢量喷管构型,开展了双轴承旋转喷管的型面设计和运动规律研究,利用数值模拟开展关键设计参数对喷管流场的影响研究,获得喷管的性能变化规律。结果表明,短距/垂直起降模态下,典型构型的双轴承旋转喷管推力矢量角最大可达108°,满足短距/垂直起降飞行器对喷管的要求。凹腔段的长短轴比值对喷管短距/垂直起降模态的性能影响较大,相同落压比条件下,长短轴比值越大,喷管的总推力系数越低,推力矢量角越大,并且推力矢量角最大差值达到41°。本文所提出的双轴承旋转喷管可为未来具备短距/垂直起降、高机动性能的飞行器动力系统提供一种新的解决方案。

基于改进LADRC的矢量推力双旋翼飞行器姿态控制

针对矢量推力双旋翼无人机姿态控制过程中存在强耦合、模型不精确的问题,提出了一种改进型的线性自抗扰姿态控制(linear active disturbance rejection controller,LADRC)方法。该方法利用改进线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)提高对总扰动的实时观测精度,根据姿态角的误差及其变化率引入模糊控制思想对线性状态误差反馈控制律进行在线参数整定,最后以矢量推力双旋翼飞行器为研究对象,对比PID和常规LADRC对外界扰动的抗扰效果,仿真试验验证了该方法能够较好估计补偿系统的总扰动,具有更好的抗扰性能和收敛速度。

关节间隙对矢量喷管调节机构动态特性影响的数值仿真与验证

为研究飞机在不同飞行工况下关节间隙对矢量喷管运动调节机构动态特性的影响,采用第1类拉格朗日方程与混合接触力模型和LuGre摩擦模型相结合的方法,构建了考虑关节间隙和摩擦系数等特征的矢量喷管运动调节机构单叶动力学理论模型,进而构建了整体调节机构的运动学分析模型。结果表明:由于关节间隙的存在,在矢量喷管运动调节机构运动状态突然改变时,初始碰撞阶段调节片的位移几乎不受间隙碰撞的影响,但速度与加速度会产生剧烈且短暂的振动,振动大小受关节间隙影响较大,而间隙对平稳运动时的调节片运动精度几乎不产生影响;整机矢量喷管运动调节机构做收扩运动时,各关节产生的碰撞力几乎相同,做上下偏转运动时,C关节处产生的碰撞力最大,A关节处的受力次之,B和D关节处的受力最小。

基于喷管二次流控制的推力矢量特性研究

通过控制二次流喷口相对位置和宽度来改变喷管出口燃气流动方向是实现推力矢量控制的方法之一。为掌握落压比(NPR)、二次流压比(SPR)以及二次流喷口相对位置(X_(j))和宽度(d)对推力矢量性能的影响,通过数值计算分析了发动机推力矢量角(δ)、推力系数(C_(f))变化规律。结果表明,随着落压比的减小,喷管可以获得更大的推力矢量角度,但推力损失更大;主流落压比不同时,喷管推力矢量效率的最小值所对应的二次流压比不同;随着二次流喷口宽度的增加,喷管的推力矢量角度逐渐增大且随着二次流压比的增大其增幅也随之变大;推力矢量效率在SPR≤0.6时,随着二次流喷口宽度的增大而减小;SPR=0.8后随着二次流喷口宽度的增大先下降后上升,SPR=1.2时随着二次流喷口宽度的增大而增大;随着二次流喷口位置向喷管出口的移动,推力矢量角仅在喷口后的气流分离由闭式变为开式时发生一次突增,而推力系数发生一次突减;随着二次流喷射角度的增大,喷管的推力矢量角度不断增大,喷管的推力系数呈现不断减小的趋势。

三摆臂式扰流片矢量气动力数值仿真研究

为适应智能可控弹药发动机喷口愈来愈小的发展趋势,针对三摆臂式扰流片矢量控制形式开展了气动力数值仿真。研究三摆臂式扰流片推力和侧向力调节能力。结果表明:推力随着主推角的增加而降低,最大推力损失仅与主推角有关;当主推角大于36°,扰流片间的气动干扰增强;侧向力随着侧向角和入口压力的增加而增大;当3个扰流片均位于发动机尾流中,前后方向和左右方向侧向力调节干扰小,且侧向力调节对推力影响小。

正交柔顺矢量测力系统的设计和性能分析

针对多分支正交柔顺矢量测力系统的设计难题,提出了梁连接单元模拟测力元件的方法;采用该方法建立了测力分支及矢量测力系统的有限元模型,并对6种分支形式和平面布局形式进行了结构特点分析。在此基础上,结合矢量测力系统案例,通过有限元模型进行参数详细设计,最终获得了结构紧凑且耦合较小的方案。对台架的3个载荷分量(轴向力、法向力、俯仰力矩)进行了校准试验,其中,校准的不确定度均在0.5%满量程(Full Scale,FS)左右。针对大载荷矢量测力系统加载精度对校准测量的影响较大的问题,提出了基于载荷与测量比值的性能评估方法,采用该方法,得到设计的矢量测力系统的3个分量的测量重复性在0.4%FS左右,大量程测量滞后性在0.7%FS以内。研究成果对于正交矢量测力系统的结构设计和性能分析具有一定的参考意义。

分离线扩张比对超音速分离线摆动喷管流场影响规律的数值与试验研究

为进一步优化超音速分离线摆动喷管性能,通过数值计算分析了分离线处扩张比(ε)对超音速分离线摆动喷管流场的影响规律,并进行了试验验证。结果表明:相同ε下,随着摆动角度(θ)的增加,轴向推力系数(C_(fx))逐渐减小;ε取不同值时,相同θ下C_(fx)区别较大,在ε=1.68时C_(fx)达到最大值。相同ε下,随着θ的增加,偏转放大系数(K)先增加后减小,θ为1°~2°时,K值达到最大(K=2.5);不同ε下K区别较大,当ε≥1.46、θ为1°~8°时,K>1,ε=1.21时偏转效益受θ影响较大,K最小值小于1。数值仿真喷管羽流状态与地面试验一致,验证了仿真方法的有效性;分离线处压强由于模型误差存在一定偏差,摆动力矩由于分离线处压强的非均匀分布存在计算偏差。

电动伺服机构扰动补偿与神经网络模糊控制

针对电动伺服机构的模糊控制与扰动补偿问题进行研究,首先依据动力学理论建立电动伺服机构系统模型并利用Simulink软件搭建仿真模型。然后充分分析了系统所受到的摩擦力矩、齿槽力矩、时滞等非线性扰动,设计前馈控制器进行补偿。其次为了进一步改善系统的控制性能,在位置环PID控制器基础上引入模糊控制来动态调整PID控制参数。最后利用BP神经网络实现对量化因子和比例因子的实时整定,改善由于模糊规则及模糊输出论域的不对称性导致在正负行程上效果不一致的问题。从动态响应能力、跟随性能、抗干扰能力、频域响应等方面分别对传统PID控制器、模糊PID控制器和模糊BP网络PID控制器的控制性能进行仿真对比分析,结果表明模糊BP神经网络PID控制器提高了系统响应速度,改善了系统控制品质,可以为航天电动伺服机构结构和控制器设计提供借鉴。

安装间距和堵塞比对扰流片推力矢量特性影响数值研究

为了获得扰流片参数对推力矢量特性的影响,研究了圆弧凸形扰流片对发动机喷管性能的影响,采用数值方法探讨了扰流片与喷管出口截面之间安装间距、面积堵塞比对推力矢量特性及发动机喷管流场的影响。结果表明:扰流片安装间距增大将导致泄漏流体增多,降低了发动机喷管的推力、总侧向力;在扰流片面积增加的过程中,初期面积堵塞比的增加将导致喷管推力下降,总侧向力得到提升,当继续增加面积堵塞比,喷管推力和总侧向力骤降。此外,增加安装间距对喷管扩张段的马赫数基本没有影响,而增加面积阻塞比使得马赫数的下降位置提前,甚至促使斜激波发展为弓形激波。

引流发动机高压煤油的泵控式伺服机构设计与试验

针对航天大推力液体发动机推力矢量控制的需求,提出了引流发动机高压煤油的泵控式伺服机构方案,高压煤油驱动液动机恒速转动,由小功率机电伺服机构控制变量泵的调节机构,实现变量泵输出流量大小和方向控制,完成泵控式伺服机构精确位置输出。研制了高集成一体化泵控式伺服机构样机,建立了系统数学模型,进行了仿真分析和试验测试,-3 dB幅频带宽可达53.5 rad/s,-45°相频带宽可达28.5 rad/s。表明,泵控式伺服机构具有良好的频率特性,满足发动机推力矢量控制的需要。

后甲板对S弯激波矢量喷管流动特性的影响

收-扩型S弯激波矢量控制喷管不仅可以显著降低发动机尾部的红外和电磁辐射强度,还可以实现超声速飞机俯仰方向的推力矢量控制,极大地增强了飞机的隐身性和机动性。由于矩形出口需要与后机身融合,通常将下壁面延长作为后甲板,此时喷流的偏转规律与对称出口喷流的偏转规律不同。本文采用数值模拟的方法,比较了有后甲板和无后甲板S弯激波矢量控制喷管的流动特性,分别研究了有后甲板S弯激波矢量控制喷管的长度和角度对其性能的影响。结果表明:在某些工况下,上壁面二次流注入所诱导产生的斜激波会被后甲板反射,不利于向下推力矢量角的产生;当后甲板表面没有发生开式分离时,下壁面出口喷流会沿后甲板表面附壁流动,因此后甲板长度或角度的增加会使喷流速度轴线向下偏转。

引气位置对旁路式二元激波矢量喷管性能影响

流体推力矢量技术可为超声速无尾布局提供良好的隐身性能与纵向操纵力矩,具有响应快、质量小等优势。旁路式激波矢量喷管无须从发动机引气,克服了为增加矢量角而增加发动机引气流量的问题,可降低发动机的负担。开展了引气位置对旁路式二元激波矢量喷管矢量性能影响研究,为加深对此种喷管性能理解以及将其实用化打下基础。结果表明:喉道引气喷管兼具激波矢量和喉道偏斜法的特征,入口引气喷管在过膨胀状态下性能更好,喉道引气喷管在欠膨胀状态下更有优势。射流后的分离模式显著影响喷管矢量性能,闭式分离使喷管矢量性能下降明显,喉道引气喷管矢量性能突变对应的落压比小于入口引气喷管。实际应用中,应避免分离模式由开式分离转为闭式分离,根据不同膨胀状态搭配不同的旁路式引气方式能够最大化旁路式二元激波矢量喷管性能。

振荡射流控制方法在无舵面飞行控制中的应用

利用射流主动流动控制方法,飞行器无舵面飞行控制技术取消了传统的机械舵面,具有附加重量小、控制性能优异等优点,适合隐形设计。本文针对现有定常射流控制方法控制效率较低、耗气量大等问题,介绍了振荡射流在无舵面飞行控制中的应用,概述了2项无舵面飞行控制技术——环量控制技术和流体推力矢量技术——的研究现状,讨论了振荡射流在扩大控制区域、增强掺混和频率调节方面的机理和优势。从环量控制和流体推力矢量2个角度出发,详细介绍了振荡射流在无舵面飞行控制中的应用机理和优异表现。

面向机动的临近空间飞行器自适应协调控制

为提高临近空间飞行器的机动性能,提出一种结合推力矢量的新型自适应滑模控制方法,并搭建闭环最优控制分配系统,实现气动舵面与矢量喷管最优分配,保证飞行器稳定机动飞行。首先为应对机动飞行环境中复杂不确定,设计新型自适应滑模控制器,放宽了现有自适应滑模控制不确定有界性限制,获得确保姿态角稳定跟踪的期望控制力矩。引入推力矢量技术的临近空间飞行器存在多种控制输入,控制分配是机动飞行控制的关键。其次为确保机动飞行稳定安全,从稳定性角度提升分配性能,设计闭环最优控制分配策略,将期望控制力矩精确稳定地分配到执行器,完成气动舵面和矢量喷管协调控制,实现机动飞行中姿态角对参考指令的稳定跟踪。仿真结果表明:推力矢量技术对于扩大临近空间飞行器横纵方向姿态角变化范围具有有效性,同时验证了所设计控制策略能够在复杂不确定影响下保证飞行姿态稳定。

超音速分离线喷管推力效率影响因素的数值研究

超音速分离线喷管作为一种新型可动喷管,在机械结构、流场分布、推力性能等方面具有不同于传统可动喷管的特点。由于具有偏转放大效应特点,在执行矢量控制时超音速分离线喷管性能较明显优于传统喷管。为了讨论其推力效率受不同因素影响的变化规律及作用机理,对不同摆角下超音速分离线喷管受不同因素影响的内流场开展数值仿真研究。结果表明:在给定的设计参数下,分离线间隙尺寸的增大对推力效率具有减益性,超音速分离线喷管在执行矢量控制时具有较高的推力效率;同时,相较于锥形扩张段,钟形扩张段喷管有着更好的推力效率。

基于Backstepping的多矢量推力平流层飞艇控制方法研究

平流层飞艇是在20km高空平流层区域飞行的飞艇,该区域大气密度和飞行速度较低,使得传统的驱动器,比如气动控制面等效率降低。主要研究多矢量推力平流层飞艇的动力学建模以及非线性控制器的推导、设计和仿真的实现。在Backstepping理论设计基础上,为带矢量推力的平流层飞艇设计了姿态控制器,并通过MATLAB软件进行了仿真验证。实验结果显示,基于Backstepping设计的非线性控制器在动态性方面效果显著,能够较好地完成对系统全局镇定以及对给定位置及偏航角的渐进追踪。该方法保证了补偿跟踪误差在李雅普诺夫意义下的指数稳定性,同时给出了稳定性分析和仿真结果。

基于扰流片式推力矢量发动机的推力调节模型研究

为研究扰流片式推力矢量机构通过推力调节,实现诱饵弹定高悬浮机动飞行的机理,本文在拟合得到推力调节幅度和伺服机构位移的函数关系的基础上,建立了一种扰流片式推力矢量系统模型。模型根据俯仰、偏航和高度通道输出的期望推力指令,反算出伺服机构位移,进而控制扰流片组合差动,对悬浮式诱饵弹产生主推力调节和侧向力调节。诱饵弹60m定高飞行仿真试验表明:推力矢量系统模型输出的主推力和侧向力与控制系统输出的期望推力一致,推力响应时间在100ms内。说明该模型能够实现诱饵弹定高悬浮和悬浮机动飞行中的姿态调节,且模型在快响应系统中具有实现性。扰流片非同步旋转的原理样机点火试验表明:推力矢量系统模型产生的主推力与试验结果偏差在5%以内,侧向力与试验结果偏差在3%以内,验证了该模型计算得到的推力矢量具有正确性。

三扰流片推力矢量固体火箭发动机推力调节特性研究

为研究三扰流片推力矢量发动机进行推力调节时的矢量特性,采用重叠网格技术对三扰流片推力矢量装置展开数值模拟;将数值结果采用RBF(Radial Basis Function Neural Network)神经网络方法进行拟合,提出了一种依据舵机位移计算主推力和侧向力的推力矢量计算方法;最后,进行了原理样机推力开环试验。数值研究结果表明,舵机位移在12.5 mm以内时,发动机主推力曲线台阶变化明显;舵机位移为10.5 mm时,喷管尾部流场内开始出现斜激波交会形成马赫盘,马赫盘前移逐渐贴附于喷管口的现象。从拟合得到的侧向力计算式可以看出,三扰流片组合差动受到的侧向力,以及喷管内流动不对称产生的喷管内侧向力均为驱动扰流片旋转的舵机位移的函数。点火试验结果表明,拟合计算得到的发动机主推力和侧向力与试验实测值之间的偏差在4%以内,验证了所提出的推力矢量计算方法的正确性。