基于降阶模型的气动弹性主动控制律设计

流体/结构耦合数值模拟是目前解决复杂气动弹性问题精度最高的方法。但由于计算效率比较低,模型阶数过高,不能直接用于气动弹性系统的主动控制律设计。为了对主动控制系统设计提供高效高精度状态空间模型,研究了气动弹性系统的时域正则正交分解(POD)/降阶模型(ROM)方法,并引入平衡截断(BT)技术进一步降低时域POD/ROM的阶数,从而有效克服了时域POD/ROM阶数过高的缺点。在此基础上建立了基于POD-BT/ROM的气动伺服弹性降阶方程。以AGARD445.6机翼为例,说明了时域POD/ROM建模的各个细节,并将其用于气动弹性主动控制律的设计。计算结果表明,POD/ROM具有接近计算流体力学(CFD)/计算结构动力学(CSD)耦合计算的精度,同时又大大提高了计算效率约1～2个量级,是一种高精度高效率的气动弹性主动控制系统设计工具。     

柔性空间结构选频二阶保结构平衡降阶

利用传统的一阶选频内平衡降阶方法进行降阶时,不但破坏了原二阶系统动力学结构,而且降阶过程中的选频Gramian矩阵的求解计算量大、数值稳定性差.利用解耦模态坐标的二阶柔性空间结构(FSS)方程的特殊性,给出了可控和可观Gramian矩阵的选频闭合解析解.为了将FSS动力学模型在指定频段进行降阶并保留原系统的二阶动力学结...     

模态密集柔性空间结构二阶内平衡降阶

 给出一种针对二阶线性系统方程直接进行降阶的二阶系统内平衡降阶方法。大型柔性空间结构动力学方程采用二阶线性微分方程描述,采用传统的一阶内平衡降阶方法降阶后的状态方程是一阶形式,破坏了原系统的二阶结构和物理意义。采用新方法降阶后的系统可以保持原系统二阶结构,同时可以进一步保持原系统的对称和正定特性。柔性空间结构系统级降阶的柔性模态方程通常为对角形式,针对这种特殊形式,系统可控和可观Gramian矩阵存在闭合解析解,给出了闭合解的具体表达形式。数值仿真结果表明,二阶内平衡降阶方法可以达到一阶内平衡方法一样的降阶精度,Gramian矩阵的闭合解析解可以大幅度提高Lyapunov方程求解速度。     

高保真气动伺服弹性系统降阶技术研究

采用高保真非定常气动力辨识技术获得的气动伺服弹性(ASE)系统时域模型往往阶次较高,不利于控制系统设计的应用.为了有效降低高阶ASE系统阶次,研究了高保真ASE模型的降阶特性,分别采用平衡截断、奇异摄动以及平衡奇异摄动模型降阶技术,结合BACT系统讨论了各种方法在ASE模型降阶中的应用情况,通过仿真比较得知,平衡奇异摄动法应用于ASE模型的降阶具有一定的优势,可以大幅降低模型阶次,且能够保证降阶模型的精度.     

含局部非线性的月球探测器软着陆动力学模型降阶分析

为准确预估探测器着陆冲击过程的动力学响应,采用非线性有限元方法建立了探测器软着陆动力学模型,能够较全面地反映出各种非线性因素。针对非线性有限元求解耗时长的弱点,考虑到探测器的局部非线性特性,利用广义动力缩聚（GDR）方法建立了月球探测器中心体的降阶模型。提出了一种基于脉冲响应函数的模态截断准则,在广义动力缩聚方法的基础上筛选少数几阶模态影响系数（MIC）较高的模态表征中心体的加速度响应,能够进一步降低模型的阶数。将降阶的中心体模型与含非线性的缓冲机构连接后进行的软着陆动力学分析能够准确而快速地预估探测器测点的加速度响应,与非降阶模型对比,计算时间缩短了75.5%,加速度响应的相对峰值误差控制在5%以内。数值仿真表明,广义动力缩聚方法能够有效地解决传统非线性有限元方法求解效率低的问题,本文所提模态截断准则的优点是适于求解模态密集问题并且与系统的输入输出无关。     

带有模型降阶的μ综合算法及应用

针对在μ综合中产生的控制器阶次高,可实现性差等实际问题,提出了一种带有平衡截断法的μ综合算法。该算法原理是通过可控可观测Ｇｒａｍｍｉａｎ阵的折中,达到降阶且保持原系统性能不变的目的。新方法不仅非常接近最优结果,而且可以使控制器阶次大大降低。     

动力学解耦的改进直接力控制

 提出了一种动力学解耦的改进直接力控制技术,通过对传统直接力控制技术的改进,引入翼面气动力闭环控制回路,使空气动力学模型与刚体动力学模型分离,避免了空气动力学模型的不确定性和非线性耦合对控制系统的影响,并针对建模精度较高的刚体动力学模型进行动力学解耦和控制,在此基础上构建了分层递阶控制系统。根据翼面气动力可控特性分析结果,设计了基于广义逆的控制力分配算法,实现了控制力的有效分配,最后进行了仿真校验。仿真结果表明,基于逆动力学的直接力控制系统可以实现飞行器姿态运动和质心运动的解耦控制,并且具有较强的抗扰动能力和鲁棒性,具有良好的工程应用前景。     

基于H_∞/H_2方法的弹性飞行器颤振抑制系统设计

在考虑机翼弹性的情况下,研究大展弦比高空长航时飞行器的主动控制技术,以达到颤振抑制的效果。为了解决飞行器模型阶数过高难以进行控制律设计的问题,采用改进的平衡截断方法对模型进行降阶处理。同时针对机翼弹性所带来的严重气动弹性问题,基于静态输出反馈H_∞/H_2控制方法对降阶后的模型设计了颤振抑制控制律。仿真结果表明,飞行器在海平面高度下的颤振临界马赫数提高了128%,说明H_∞/H_2控制器起到了很好的主动控制效果。     

基于Η∞和μ综合的Stewart平台柔性铰链主动杆多目标鲁棒主动振动控制(英文)

新一代空间望远镜、空间激光通信平台及其他敏感载荷要求超静力学环境,传统被动减振无法满足要求,主动振动控制是一种有效的方法,Stewart平台主被动混合隔振被广泛研究。本文分析了立方Stewart隔振器6个主动杆之间的耦合特性,建立了单个主动杆的刚弹耦合动力学模型,并在模态空间中去掉刚体模态。考虑建模不确定性及传感器噪声,利用不含刚体模态的单杆动力学模型,进行多目标Η∞和μ综合控制器设计,对于低频指向控制信号进行保持,而对高频扰动进行抑制。而后对控制器进行鲁棒稳定性测试和分析,并对控制器进行了模型降阶,最后用μ降阶控制器对标称系统进行时域仿真,并与 PI 控制器比较。结果指出μ控制器达到了低频指向信号保持和高频扰动抑制的指标要求。     

平衡截断方法在气动伺服弹性系统模型降阶中的应用

研究了平衡截断方法在多输入/多输出气动伺服弹性系统模型降阶中的应用。简要分析了气动伺服弹性系统模型建立的一般过程,详细讨论了平衡截断方法的基本原理并给出了其中的一种算法。以机翼气动伺服弹性系统为对象,比较了降阶前后模型变化情况。     

Nonlinear order reduction of structural dynamic aircraft models

New methods for nonlinear order reduction of structural dynamic aircraft models described by nonlinear differential equations have been developed. The methods are based on singular perturbations, weak coupling and cost functionals for selecting the physical states of the reduced order model, computing and analyzing the reduced order model. By introducing a formally affine nonlinear model structure, the cost functional vector optimization yields closed expressions for the reduced order system. Via Lagrange multipliers, even constraints with regard to the reduced order system can be considered, only extending these closed expressions. This leads to the notion of smaller and control-oriented realizations. Moreover, a unified approach to structural dynamic aircraft modeling for loads analysis and for structural dynamic control is developed, which allows us to apply the new reduction methods directly to both problems. Here, the methods are applied to a structural dynamic aircraft model in order to achieve a very low order model, suited for structural dynamic controller design.     

小展弦比飞翼布局作战飞机可控性设计方法

 飞翼布局飞机取消了常规布局飞机采用的安定面和操纵面,由此引起其可控性设计的诸多新问题。以某小展弦比飞翼布局作战飞机为例,利用风洞试验结果研究了几种典型新型操纵面的操纵新机理及不同飞行条件下的操纵效能等。基于可控性设计的要求,估算了该飞翼构型作战使用所需的三轴最大控制力矩系数。通过引进舵容量的概念提出了新型操纵面的参数化设计方法,最后对这一新布局方案进行了可控性评估,为飞翼布局飞机概念设计阶段的新型操纵面布置和设计提供了一种实用的方法。     

阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法

 动力学相似的缩比模型试验中,阻尼往往难以保证相似,使得缩比模型的动响应测试数据难以直接换算到结构原型上,因此提出一种阻尼不相似动力学模型的时域响应修正方法来解决这一问题。该修正方法假定缩比模型的阻尼可用比例阻尼模型近似表征,并直接从实际缩比模型与理想缩比模型的一般强迫振动响应计算方程出发,利用线性系统的叠加原理和模态叠加法,将动响应修正量的求解转换为理想模型在一个等效附加激励力作用下的时域响应求解。同时,针对实际工程中响应测点数目有限的问题,利用模态缩聚法进行了未测量点的响应反演。该修正方法仅需已知结构原型和实际缩比模型的模态阻尼比,以及准确建立的实际缩比模型的质量矩阵和刚度矩阵,即可实现实际缩比模型在任意激励工况下的测试动响应修正。以某型飞机的翼梁缩比模型为研究对象,对所提出的响应修正方法进行了验证。试验和计算结果对比分析表明,修正后的响应功率谱密度(PSD)和响应的均方根(RMS)值与理想模型基本一致,表明了本文方法的可行性和有效性。     

Control law design for transonic aeroservoelasticity

Existing computational transonic aeroservoelastic researches focus on directly coupling the structural dynamic equations, CFD solver and servo system in time domain, study the effect of the given feedback control laws on the responses of the aeroelastic system. These works have not involved the design of the flutter active control law. The non-linearity of transonic flow brings great difficulties to aeroservoelastic analysis and design. Recent research of the unsteady aerodynamic reduced order models (ROM) based on CFD provides a challenging approach for transonic aeroservoelastic analysis and design. Coupling the structural state equations with the aerodynamic state equations of the wing and the control surface based on the ROM, we construct a transonic aeroservoelastic model in state-space. Then the sub-optimal control method based on output feedback is used to design the flutter suppressing law. The study first demonstrates the open loop of the Benchmark Active Controls Technology (BACT) wing. The computational results of the CFD direct simulation method and the ROM analysis method are both agree well with the experimental data. Then both the closed loop time responses and the flutter results by ROM technique are compared with those of numerical aeroservoelastic simulation based on Euler codes to validate the correctness of the design method of the control law and aeroservoelastic analysis method. An increase of up to 20% of the speed index can be achieved by the control law designed by sub-optimal control method for this model.     

Integration of Manufacturing Cost into Structural Optimization of Composite Wings

 The manufacturing cost is a significant factor that must be considered in the structural design of a composite wing. A multi-objective optimization method for the tradeoff between manufacturing cost and weight of composite wing structure is developed by integrating the manufacturing cost model into the traditional wing structural optimization. A two-level optimiza-tion method is proposed to carry out the tradeoff between manufacturing cost and weight, in which the design variables include both structural layout and dimensions and a cost model is incorporated into structural optimization. The manufacturing cost model for a composite wing and the detail procedure for solving this tradeoff problem are presented. The application of the method to the composite wing structural design of an unmanned aerial vehicle is illustrated to verify the method. The applica-tion indicates that the method is able to find the Pareto optimal set of minimum structural weight and manufacturing cost. Based on the Pareto optimal set, one can conduct the tradeoff between manufacturing cost and weight of wing structures.     

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。