柔性卫星大角度机动的自适应模糊变结构控制

针对柔性卫星大角度机动过程中多种模态的强耦合非线性动力学控制问题,提出了一种自适应模糊变结构姿态控制方法.首先利用拉格朗日方程建立了带柔性附件卫星的动力学模型,然后设计变结构控制器使得系统状态能在有限时间内到达滑模面,并采用自适应模糊系统逼近系统所存在的耦合非线性项.为了削弱变结构控制项所带来的抖动,避免激发柔性附件的高频模态,采用边界层方法来代替开关项,并通过模糊规则表的方法确定边界层的厚度.仿真结果表明,所提出的控制方法既实现了柔性卫星高精度姿态控制,也保证了卫星大角度机动过程中柔性附件弹性模态的有效抑制,系统对各种干扰具有一定的鲁棒性.      

一种柔性空间机械臂的刚体运动和柔性振动复合控制方法

针对柔性空间机械臂的刚体运动控制和柔性体振动抑制问题,给出了一种反馈和前馈复合控制方法.对于一个柔性双连杆机械臂,首先设计反馈线性化控制器,消除非线性影响,实现大范围的刚体运动控制.其次基于闭环回路响应的振动特性,设计输入成型前馈控制器,预成型控制命令,抑制对结构振动影响显著的某些模态响应.最后仿真结果证实了给出的反馈线性化和输入成型复合控制方法,可以实现精确的位置控制,同时机械臂的残余振动得到了有效的抑制.     

基于主动约束层阻尼控制的大型挠性航天器动力学模型

以大型挠性航天器简化模型——中心刚体和固接板混合系统为对象,同时考虑板表面粘贴的主动约束层阻尼结构,根据拟坐标拉格朗日方程,建立了包含所有高阶小量的完整动力学模型。建模时,采用混合坐标描述中心刚体和主动约束阻尼板的运动,用Golla-Hughes-Mctavish模型描述阻尼材料的复模量。基于该动力学模型可进行空间柔性板振动的主动约束阻尼控制器设计和大型挠性航天器的姿态动力学研究。     

灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性；并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化；退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.     

灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性;并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化;退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.     

基于逆动力学和在线参数辨识的飞机姿态控制

传统的综合飞行/火力控制系统的设计使用了PID(Proportion-Integral-Differential)结构的飞行/火力耦合器,具有鲁棒性差、设计工作量大等缺点.提出了一种基于逆动力学和在线参数辨识的方法,用于直接设计综合控制系统中的姿态控制器.其中,对飞机的转动动力学方程,推导得到了其逆特性的解析形式;使用在线参数辨识方法,对飞机的气动特性进行估计并用于舵面分配.以六自由度非线性飞机模型为对象进行了仿真,结果表明所设计的姿态控制系统具有快速性好、通道间解耦效果明显、对气动模型误差的鲁棒性强等优点.本方法也可推广用于其他的飞行器姿态控制系统设计.     

弹性飞机货物投放动响应分析

重型货物的投放会引起飞机严重的动力学载荷.激励载荷具有较宽的频带,能激起较多弹性模态的振动,而这种动响应可能被气动弹性效应变得更大.为此建立了弹性飞机重型货物投放动响应分析方法.同时考虑飞机的刚体运动和弹性振动模态,应用能量法建立了弹性飞机的刚弹性耦合动力学方程.应用气动力有理函数拟合技术,建立了货物投放动力学的状态空间方程.以静气动弹性配平结果为初始条件,对状态空间方程进行数值积分得到货物投放动响应.以某型运输机为例进行了无控和有控情况的响应分析,并研究了不同质量货物的投放对飞机动响应的影响.数值分析结果表明:弹性飞机比起刚体飞机会引起更为剧烈的货物投放响应;货物质量直接影响空投动响应的剧烈程度;对于无高度稳定的飞机,货物投放会引起飞行高度的降低.      

考虑几何非线性的气动弹性模型缩比方法

随着飞机性能和需求的提高,大展弦比高柔性机翼逐渐成为新型飞机的主要结构形式。这类机翼具有高升阻比、大变形和重量轻等特性,几何非线性效应明显。然而机翼的大展弦比高柔性会带来更大的机翼变形,而机翼大变形则会引起相关的非线性气动弹性行为。为了评估这些非线性气动弹性行为并同时降低设计风险和成本,一般要使用缩比模型进行风洞试验以研究和确认真实飞机的气动弹性特性。基于此,首先使用了传统线性缩比方法来进行缩比,通过刚度质量耦合匹配模态响应法与刚度质量解耦匹配模态响应法这2种线性缩比方法,不断优化缩比结构的设计参数来满足目标缩比值。同时,提出一种动力学有限元模型的非线性静响应-模态协同优化方法,该方法是基于等效静态载荷法的几何非线性气动弹性模型缩比方法,通过2个不同的优化子程序分别匹配全尺寸飞机的非线性静响应和模态振型。结果表明,相比于传统线性缩比模型,考虑几何非线性的缩比模型能够更好地再现全尺寸飞机的非线性气动弹性行为。      

一类非理想切换系统的H∞控制器设计

针对实际物理过程中普遍存在的动力学切换现象,提出一类具有平滑切换过程的非理想切换系统模型,并研究其鲁棒H_∞切换控制器设计方法.基于平均驻留时间方法与积分不等式理论,得到保证非理想切换系统渐近稳定且满足给定L₂增益的充分条件.在此基础上,以线性矩阵不等式形式给出H_∞切换控制器的设计准则.所提非理想切换系统较之理想切换系统更具一般性,故所得控制方法同样适用于理想切换系统.变体飞行器跟踪控制的应用实例表明,基于设计方法得到的控制器在保证系统稳定性与跟踪性能的同时,对系统参数摄动具有较强的鲁棒性.     

尾坐式飞行器增益调度控制器设计和比较

针对尾坐式飞行器的动力学模型进行分析,考虑螺旋桨尾流对飞行器的控制作用,建立其数学模型,并针对尾坐式飞行器的纵向转换过渡过程设计了一种基于航迹倾斜角变化的增益调度控制器,分别使用LQR和H_∞两种反馈控制方法经历其增益调度控制器。分别以斜坡和多级阶跃信号为指令,通过以航迹角跟踪的方式进行纵向模型的过渡仿真验证控制器的性能,仿真结果表明,两种控制器均能保证飞行器的稳定过渡转换飞行,且在稳定性方面增益调度LQR控制器具有更好的性能,在快速性和准确性上增益调度H_∞控制器具有更大优势。     

直升机两步法抗饱和控制

在执行机构饱和约束下,研究了直升机的全姿态控制和速度跟踪问题.提出了一种能适用直升机这样的开环不稳定系统的两步法抗饱和控制方法,即第1步在不考虑饱和约束下设计了直升机H_∞回路成形内外回路控制器,内回路实现直升机全姿态控制和通道解耦,外回路实现速度跟踪;第2步考虑饱和约束,设计抗饱和补偿器弱化饱和引起的闭环性能退化.证明了该抗饱和控制系统的L₂稳定性,并通过回路变换和乘数理论减少其保守性.对UH-60黑鹰直升机的仿真试验表明了该方法的有效性.      

某型固定翼飞机协调转弯鲁棒控制律设计

以某型固定翼飞机为例,针对协调转弯时侧滑过大的现象,采用了鲁棒H_∞状态反馈控制与常规PID(Proportion Integration Differentiation)相结合的控制方法设计控制律结构.基于固定翼飞机线性化模型,研究了H_∞状态反馈在横侧向控制律设计中的应用,并分析了滚转角和飞机速度对转弯半径的影响.仿真结果表明所设计的控制律可行有效,同时验证了对影响转弯半径因素理论分析的正确性.      

飞机纵向起飞着陆动态特性仿真研究

以刚体系动力学理论为依据,结合飞机起飞着陆运动学特征,建立了起落架-机身组合刚体6自由度全量飞机方程。文内建立的阶跃跟踪驾驶员时域数学模型,有助于评价起飞着落阶段人-机系统的飞行品质。根据该系统的数学模型编制了FORTRAN软件,并对起飞着陆动态特性作出了综合的全面的定量分析。     

动力增升飞行LQG/LTR鲁棒控制器设计

研究线性高斯二次型回路传输恢复(LQG/LTR)鲁棒设计方法在动力增升阶段飞行/推进综合控制器设计中的应用问题,以带宽和Gibson准则作为基本的飞行品质指标,以奇异值作为鲁棒性指标,深入分析了基于LQG/LTR鲁棒控制的参数选择规律,包括姿态和速率指令的分配、前置滤波器的影响、扰动水平的预设、高频环节对系统鲁棒性和飞行品质的影响等问题.示例飞机构形的控制器设计结果表明:在LQG/LTR鲁棒飞行控制器设计过程中,适当选取响应类型参数和扰动水平因子,可以折衷飞机的飞行品质和鲁棒性能.      

关于一种人-机闭环品质评价方法的分析

运用结构驾驶员模型研究人-机闭环系统,根据Hess建立的衡量任务完成难易程度的模型和驾驶员的评价函数,拟定了飞行品质的计算方法.针对2个被控对象模型进行了飞行品质的计算.分析了驾驶员剩余、系统输入、大气紊流以及驾驶员模型参数变化对驾驶员评价品质的影响,以便更透彻理解和揭示Hess提出的操纵品质评价指标的内涵,这对飞机设计应用具有实际意义.      

遥控模式下无人机系统纵向飞行品质评定

建立了无人机系统模型,根据通信数据链存在时延、无人机飞行员不能直接感受到无人机的过载信息等特点,参照有人驾驶飞机飞行品质准则,提出了遥控模式下无人机系统纵向飞行品质的评定方法.对某算例无人机系统的纵向短周期飞行品质及驾驶员诱发振荡(PIO,Pilot-induced Oscillations)趋势进行了评定及分析.结果表明:通信数据链对无人机系统的短周期频率、阻尼等特性的影响较小;但是,无人机飞行员在地面控制站遥控操纵无人机时,通信数据链时延会增加无人机系统的延迟时间,导致闭环操纵的短周期飞行品质发生降级,并具有PIO倾向;为避免发生PIO,应避免无人机在遥控模式下执行快速机动飞行任务.