考虑舵机动力学的舵系统颤振特性分析

飞行器舵面的颤振特性与舵机动态特性有很大关系.提出了2种考虑舵机复刚度颤振分析的工程分析方法,第1种方法思想是对舵面和舵机的耦合系统(下文称舵系统)模型在各种来流速度下进行状态矩阵的稳定性判断,称为时域方法;第2种方法是将舵机复刚度特性包含在频域颤振方程中,使用改进的V-g法求解该方程得到舵系统颤振特性,称为频域方法.通过对舵系统模型算例的数值计算验证了方法的可行性;发现传统的按扭转频率进行舵机刚度等效的舵面颤振工程计算方法的结果相对于该方法有较大差别.说明当舵机动力学特性较差时,在舵面颤振分析中考虑舵机复刚度特性是很有必要的.     

电动舵机模块化建模及动刚度仿真

颤振是一种危险的气动弹性失稳形式,舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响,因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题,提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象,将其分解为具备核心功能的子模块,充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素,再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型,提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法,并以某舵机为算例,开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好,便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大,间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。      

小展弦比有限厚度舵面颤振特性分析

摘要： 舵系统是超声速再入飞行器机动飞行过程中对姿态进行控制的重要部件,其颤振特性分析是保证型号研制及飞行试验成功的关键环节.本文用当地活塞流理论对舵面颤振特性进行分析,首先建立舵系统动力学方程,确定舵面颤振临界边界计算方法,然后通过有限元分析和模态试验确定不同舵偏角度及不同加载量级组合工况下舵面模态参数,最后通过颤振分析确定舵面颤振临界参数,为舵系统结构方案设计及优化提供技术支撑.     

考虑结构刚度不确定性的概率颤振分析

针对舵面颤振系统中存在的不确定性问题,考虑参数的随机分布,利用蒙特卡罗模拟（MCS,Monte Carlo Simulation）和非浸入式随机多项式（NIPC,Non-Intrusive Polynomials Chaos）两种方法进行概率颤振分析,以对结构稳定性和颤振风险进行评估.选取一个存在非线性因素的典型三维舵面作为研究对象,考虑舵机弯曲刚度和扭转刚度两个不确定性变量均满足高斯分布,基于MCS和NIPC两种方法开展不确定性定量分析工作.MCS方法选取大量的样本进行颤振计算,而随机多项式方法利用配点法建立代理模型,以此获得大量的颤振信息,进而得到舵面系统发生颤振的危险速度区域及给定速度下系统发生颤振的概率,并对两种方法的置信水平、计算精度和计算效率进行了比较分析.结果表明,以不确定性量化为基础的概率颤振分析方法能充分利用不确定参数的概率信息对结构系统的颤振风险做出评定.      

含间隙全动舵面的非线性颤振模式及被动抑制方法

间隙非线性环节广泛存在于飞行器的结构当中，由其引发的极限环振荡（LCO）往往造成结构的疲劳破坏，但目前关于全动舵面非线性颤振机理和被动抑制方法的研究相对较少。针对典型含扭转间隙小展弦比全动舵面开展分析，提出了2种典型的非线性颤振模式，并探索相应的非线性颤振被动抑制方法。基于描述函数法和活塞理论建立舵面的动力学模型，考虑到间隙非线性环节导致刚度降低的效果，计算对比了2种不同扭转刚度下全动舵面的非线性颤振特性，进而提出了2种不同的非线性颤振模式，其中，模式Ⅱ不存在稳定的极限环振荡过程，可以有效抑制低于线性颤振边界的极限环振荡问题；研究了舵面根部弯曲扭转刚度和质量特性对非线性颤振模式和极限环初始动压的影响，提出相应的非线性颤振被动抑制策略。针对所提算例，数值计算结果表明：通过调整舵面根部弯曲扭转刚度或质量特性可以提高极限环初始动压，甚至改变非线性颤振模式，从而达到非线性颤振抑制的目的。     

电动伺服舵系统动力学建模及颤振分析

舵机动力学对舵系统颤振有最直接影响,其动力学模型的准确建立是颤振分析的关键。以某电动伺服舵系统为对象,分别建立了电机、减速器及控制回路模型。基于其地面振动试验（GVT）数据特征,考虑了减速器中零部件间隙及滚珠丝杠间接触刚度2类非线性因素。动力学仿真结果复现了试验现象,证明了接触刚度和间隙对该伺服舵系统动力学特征的主导作用。在颤振分析中,对比了接触刚度和常数刚度2种假设下,舵机在不同阶跃角指令下的舵偏角响应。发现常数刚度下舵系统仅存在极限环（LCO）和失稳2个域,临界速度不会随间隙大小而变化;而接触刚度下存在稳定、LCO和失稳3个域,且相同风速下,其临界指令角较常数刚度假设更高,但其临界速度却会随间隙增大而减小,甚至小于常数刚度假设,应引起足够重视。      

带有燃气舵的导弹舵面颤振分析方法

传统的颤振分析方法以及商业软件不能分析带有燃气舵的导弹舵面颤振.为此,提出了一个解决带有燃气舵的导弹舵面颤振分析方法.采用动态子结构方法建立带有燃气舵的导弹舵面颤振状态空间运动方程和分析方法,结构质量矩阵和刚度矩阵分成对应于广义坐标的块矩阵;可以考虑不同来流气动效应和翼-体组合对气流的影响,用非定常气动力有理函数拟合法建立时域非定常气动力求解模型.算例数值结果表明:燃气舵舵轴与空气舵舵轴刚度之间的不利耦合会让空气舵颤振速度降低.上述分析方法和计算结果为导弹设计提供参考.     

一种脉宽调制式舵系统舵机模拟器设计方法

针对脉宽调制式舵系统放大器电性能高效测试的问题,提出一种基于移相脉冲计数的舵机模拟器设计方法。该模拟器硬件由电平转换单元、PWM占空比采集单元、数字PID控制单元和DAC单元四部分组成,软件主要采用移相脉冲计数法和数字PID控制算法,实现了真实舵机电性能的替代。同时由单通道扩展的多通道模拟器的应用,能够大幅节约舵机放置空间,缩短研制周期,在短时间内实现脉宽调制式放大器电性能大批量测试的目的。试验结果表明,该舵机模拟器能够模拟真实电动舵机的电性能特性,系统具有实时性好、测试效率高、操作性好的优点,及较高的应用价值。     

基于描述函数法的滚动通道自持振荡研究

针对舵系统间隙非线性带来的自持振荡影响飞控系统控制品质的问题,从飞行控制系统层面出发,建立了基于描述函数法的滚动通道数学模型,分别从飞行控制系统的快速性、阻尼特性、飞行器固有阻尼3个方面进行了对比分析。结果表明,增大飞行器固有阻尼能够有效降低,甚至可以消除舵系统间隙非线性带来的自持振荡现象。     

基于力矩前馈和舵机角度补偿的力矩控制

针对舵机刚度测试中力矩精确加载问题,设计了基于力矩前馈和舵机角度补偿的高精度、大量程力矩加载控制系统.对系统中力矩电机、力矩电机驱动器和加载弹性杆进行了建模分析.从加载目标、频宽及系统稳定性的角度,分析了弹性杆刚度对力矩加载性能的影响.针对力矩闭环控制系统的持续振荡及相位滞后问题,基于不变性原理引入了力矩前馈及舵机角度补偿的复合控制策略.实验表明该方法能有效抑制力矩的振荡及相位滞后,满足刚度测试对加载力矩的控制精度要求.     

主起落架可控变速收放作动器设计与仿真

传统的起落架收放液压系统在使用中缺乏可控性,按照起落架收起时飞机极限过载设计的起落架收放液压作动器在常见的小过载工况下可能产生较大的冲击。提出了一种用于主起落架的可控变速收放作动器的概念设计,使用双向比例节流阀根据过载大小调节阻尼作用。结合起落架收放机构多体模型和收放作动器液压模型,对不同过载工况下主起落架收起的动力学过程进行了仿真分析。与常规设计相比,在一定的设计约束下降低了支柱终止速度、回油压力峰值和结构冲击。研究了变速收放作动器输入压力和进回油油路阻尼相对大小对仿真结果的影响。提出了一种改进的可控变速收放作动器设计,利用惯性力的作用进一步降低了起落架收起时的作动筒载荷峰值和冲击。      

Sensitivity of a physically realizable heliogyro root pitch control system to inherent damping models

The heliogyro solar sail employs high aspect ratio blades that are rigidized by spinning about the central spacecraft, eliminating the need for structural booms typically used to tension traditional square sails. The easily scalable heliogyro gains its maneuverability by actuating the blades at their root with sinusoidal pitch profiles. The blade vibration caused by maneuvering must be attenuated using active control since there is little inherent damping in the blade material. Due to the small root pitch control torques required, on the order of 2 µNm, compared to the large friction torques associated with a root pitch actuator, it has only recently been shown that a single blade heliogyro impedance controller can add damping to the lowest frequency torsional modes of the blade in the presence of modeled actuator friction torques. However, the need to measure blade twist away from the actuator at the root creates a non-collocated control system. Some inherent damping at the blade’s higher frequency modes is therefore needed to stably add damping to the larger-magnitude low-frequency modes, hence control design is sensitive to the accuracy of the blade damping model. Recently, damping characterization tests performed on a small-scale heliogyro blade in a high-vacuum chamber invalidated the assumption of a linear viscous torsional blade damping model that was previously used in blade control designs. This paper describes the formulation of three modal damping models based on the new experimental data and their integration into the single blade heliogyro model. A comparison of the robustness and performance envelopes for the baseline proximal blade twist feedback controller using these damping models shows the ability to meet the required settling time of less than 720 s necessary for a heliogyro technology demonstration mission. This comparison of physically realizable root pitch control systems for a heliogyro blade is critical to increasing the sailcraft to Technology Readiness Level three.     

考虑失效性故障的火星探测器进入段姿态容错控制

火星进入过程中的故障和外部干扰不可避免地降低了火星进入制导和控制算法的性能。利用反步法设计了一种对转动惯量信息变化不敏感的火星进入姿态容错控制算法。首先,将虚拟控制律的微分量视作干扰量,利用自适应技术对其进行补偿,避免了传统反步法微分爆炸的缺陷。同时,控制设计过程中显式地引入了饱和函数,保证了在存在输入饱和的情况下,控制律仍然能使得探测器姿态保持稳定。最后,以“火星科学实验室”探测器为模型进行了数值仿真验证,结果表明该控制律在存在输入饱和约束、转动惯量不确定性、执行机构部分失效甚至完全失效的工况下,仍然能够完成对姿态的精准跟踪。     

飞翼布局飞机舵面偏转速率设计

舵面偏转速率的大小是飞机飞行控制系统设计的重要约束之一.当偏转速率饱和时,在外界干扰或操纵下,飞机可能进入自激振荡(PIO)状态,导致飞行品质下降.建立了飞翼布局飞机舵面偏转速率限制值的设计方法,给出了某大展弦比飞翼布局飞机的三轴主操纵面偏转速率设计的算例,分析了偏转速率限制对飞机动态响应特性的影响及其与飞机本体气动导数、转动惯量、展弦比构成的组合参数间的关系.结果表明:对于大展弦比飞翼布局飞机而言,其横向主操纵面偏转速率限制值要求最高,纵向次之,航向最低.研究方法和结果可用于飞翼布局飞机的操纵舵面与飞行控制系统初步设计时参考.      

气动执行器与电动执行器的运行能耗分析

分析了气动执行器和电动执行器能量消耗过程,建立了气动执行器运行能耗计算模型,搭建了气动执行器和电动执行器的运行能耗实验系统.通过实验数据分析,得出两种执行器运行能耗的结论:①在长时间保持负载或作动不频繁的工况下,气动执行器比电动执行器更节能,在频繁作动的工况下,电动执行器比气动执行器更节能;②在各种工况下,气动执行器的运行功率波动不大,电动执行器的运行功率波动较大.     

含间隙非线性机翼跨声速颤振时滞反馈控制

颤振主动控制会引入时滞,对气动弹性系统闭环稳定性具有显著影响。针对当前考虑时滞的机翼颤振主动控制多集中在亚、超声速域,采用线性气动力分析的研究现状,结合现代飞机大都以跨声速巡航、控制面偏转为作动器进行主动控制的应用特点,发展了考虑结构间隙非线性,基于气动力降阶模型的跨声速颤振时滞反馈主动控制方法。首先,以白噪声为激励信号,辨识得到跨声速下非定常气动力降阶模型,与间隙非线性结构模型耦合,构建被控对象状态空间模型;然后,通过一种含积分项的状态变换将输入信号存在时滞的被控系统转化为无时滞的系统;最后,采用最优控制理论设计最优时滞反馈控制。仿真结果表明:对于含时滞的系统,若施加不考虑时滞影响的控制方法,则无法抑制颤振,所提控制方法的有效性不受时滞大小的影响,可有效抑制颤振的发生。      

基于气浮的卫星挠性旋转帆板物理仿真系统设计

挠性附件运动时产生的弹性振动是影响空间飞行器指向精度和控制性能的主要原因.因此,在地面对控制系统抑制振动的性能进行验证具有重要意义.由于太阳帆板低频且长度较大,在地面构建大范围运动的空间微重力环境,耗资及难度极大.本文提出一种基于等效主轴惯量与挠性频率的卫星挠性旋转帆板挠性模拟器,基于气浮法设计了低摩擦与微重力环境的物理仿真系统,并建立了模拟器的动力学模型,等效模拟了卫星挠性旋转帆板的振动特性,降低了卫星挠性旋转帆板地面微重力运动环境模拟的难度,实现了对其控制算法抑制振动性能的有效及高经济性测试.仿真结果表明,模拟器可以通过简单操作实现参数的平滑改变以模拟不同参数及结构的卫星挠性旋转帆板,且具有与真实太阳帆板一致的振动特性,满足测试要求.      

基于本征旋转的刚体姿态跟踪系统滑模控制器

对于转动惯量参数时变和参数不确定以及外部扰动和作用力矩方向偏差的刚体姿态跟踪系统,提出了采用滑模控制的方法.利用误差四元数建立数学模型,通过本征旋转进行反馈线性化得到指令角加速度.设计滑模控制律,实现指令角加速度跟踪.仿真结果表明,所求控制律对刚体姿态跟踪系统具有全局稳定性和鲁棒性.     

颤振主动抑制控制律的工程特性

针对颤振主动抑制控制律做了有关工程特性分析．主要采用计算的方法，对系统的稳定裕度、阵风响应、舵机功率需求，以及控制律降阶等几个工程实际问题做了具体的分析计算研究