武装直升机控制增稳系统的设计

用现代控制理论的方法对武装直升机进行控制增稳系统的设计。所给的状态方程为29阶,用内部平衡系统的性质来获得一个降阶模型,用特征结构配置的方法来设计一个控制器,模态解耦是通过特征向量的选型获得的。设计的结果表明,系统得到了良好的解耦效果及闭环特性,从而提高现代攻击直升机的操纵品质。     

新概念直升机——未来可能的直升机技术

作为一种世界上应用最为广泛的可垂直起降的飞行器,现代直升机已经走过了近80年的历史.直升机的原理大家并不陌生,自从自动倾斜器、铰接旋翼和周期变距等装备和技术被一一发明以来,直升机的基本原理就没有发生过大的变化:用旋翼的变距来控制升力大小、用旋翼桨盘的倾斜来控制飞行方向、用尾桨或双旋翼来抵消旋翼的扭矩等等.这套机构已经非...     

独立桨距控制对直升机飞行性能的影响

为研究旋翼独立桨距控制对直升机飞行性能的影响,在已验证的直升机性能分析模型基础上,以UH-60A直升机为样例,通过输入不同阶次、幅值和相位角的独立桨距,分析直升机的需用功率和升阻比变化,在此基础上给出了旋翼桨盘内迎角和阻力系数的分布,探讨了独立桨距控制提升直升机性能的机理。分析结果表明：高速时,2阶和3阶的独立桨距控制可降低旋翼需用功率、提高直升机的升阻比,但提升效果有限,直升机起飞重量较大时,效果更明显;2阶耦合3阶的独立桨距控制对旋翼性能的提升效果比单独的2阶或3阶桨距输入更好,样例直升机的需用功率最多降低了4.5%,4阶的独立桨距输入则不利于提升旋翼性能;输入独立桨距后,旋翼桨盘迎角分布改善,后行侧迎角减小,有利于推迟失速,桨盘的后行侧的阻力系数减小,可有效降低旋翼的需用功率,提升直升机飞行性能。     

旋翼翼型动态失速机理及非定常设计研究进展

旋翼翼型的动态失速现象限制了直升机的最大飞行速度和机动性,并且其产生机理复杂、抑制困难,是直升机空气动力学领域持续关注的重点与难点问题.本文首先介绍了试验、半经验模型和计算流体力学(CFD)等旋翼翼型动态失速研究方法的发展,分析了不同方法的优缺点和适用范围.其次,梳理了旋翼翼型动态失速机理及气动外形、迎角及来流等参数影响机制的研究进展.综合对比发现,变来流-变迎角耦合状态的动态失速更符合旋翼桨叶剖面的流动特征,是未来旋翼翼型动态失速研究的重要方向之一.然后,阐述了旋翼翼型设计方法和设计理念的发展历程,分析了主流翼型定常设计与少数非定常设计理念的优缺点.分析结果表明,非定常设计可以获得既能缓解动态失速又能显著提高静态气动特性的翼型,综合考虑旋翼桨叶剖面运动与来流特征的非定常设计是当前旋翼翼型设计的一个新方向.最后,对旋翼翼型设计的未来发展方向进行了讨论,提出了旋翼翼型设计与旋翼桨叶一体化设计的多层级、多阶段发展设想.     

直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响

为摸索直升机桨距主动控制对旋翼性能的影响规律并揭示其机理,首先建立能够考虑2阶谐波桨距控制影响的旋翼气动力模型,进一步建立相应的直升机飞行动力学模型,将旋翼需用功率作为性能评估的依据,在全机配平状态下开展2阶谐波桨距控制对旋翼性能的影响研究.对于样例直升机,前进比为0.2时,施加任何2阶谐波桨距控制均使旋翼需用功率增加;前进比为0.35时,施加幅值为1.5°、初相位为90°的2阶谐波桨距控制使旋翼需用功率降低约5%.通过分析样例直升机桨盘平面迎角分布和阻力系数分布,总结出利用2阶谐波桨距控制提升旋翼性能的物理本质:当直升机处于高速、大载荷飞行状态时,施加适当的2阶谐波桨距控制可以改善桨盘平面迎角分布,推迟后行边桨叶失速,从而降低旋翼需用功率,有效提升旋翼性能.     

颗粒阻尼对直升机旋翼桨叶减振效果的试验

 为探索直升机减振技术的新方法,研究颗粒阻尼技术在直升机旋翼桨叶减振中的应用,设计了直升机旋翼桨叶模型及其相应的颗粒阻尼器形式,利用试验方法研究了颗粒阻尼对非旋转及旋转桨叶模型的阻尼减振效果。试验结果表明：颗粒阻尼可以有效提高非旋转桨叶模型的前3阶阻尼水平,尤其可使桨叶第3阶模态阻尼比提高一个数量级甚至更多;在较低的转速范围内,颗粒阻尼还可以克服离心力作用,使旋转桨叶模型的挥舞和摆振加速度响应水平均得到有效削减,充分表明了颗粒阻尼作为一种振动控制手段应用于直升机旋翼桨叶的可行性。     

直升机飞行/推进系统综合模型的建立

利用递阶,分散的控制思想,将直升机对象划分为三个具有独立功能,便于建模的子系统,即直升机,旋翼,发动机子系统,再在各子系统模型基础上根据各子系统间的耦合关系,建立了整个系统的模型。其中四片铰接式旋翼模型起着纽带作用,只有充分考虑机体／旋翼及发动机／旋翼间耦合关系才能建立直升机飞行／推进综合模型,仿真结果证明了建模方法的有效性,为直升机飞行／推进综合控制系统的建立奠定了基础。     

基于UDT的旋翼锥体测量系统的设计与实现

旋翼锥体测量是直升机一项重要的常规视情检查项目,由于旋翼锥体直接影响直升机的振动,而且使用频度较大,所以旋翼锥体测量方法是直升机研究的一个重要内容。研究了一种基于UDT设备的旋翼锥体测量方法,分析了其工作原理及锥体的计算方法,并在此基础上设计实现了一套具有综合测量、实时处理和故障诊断能力的直升机旋翼锥体测量系统。     

直升机主桨毂疲劳试验技术研究

直升机旋翼系统主桨毂是直升机关键部件，在地面运转及首飞前必须进行疲劳试验，根据试验结果确定初步疲劳寿命。本文以某型号直升机旋翼系统主桨毂疲劳试验为例，总结出多点协调加载试验台的设计方法及试验调试方法，并按照试验台的组成，从控制系统、泵站、伺服动作器、测量系统及试验台体等方面，详细阐述了设计内容及其工程效果。     

2米量级直升机旋翼天平

通过对2米量级直升机旋翼的试验表明：天平测量原理正确、设计合理、风度大、干扰小、静校准精度较高，其动态特性与整台直升机旋翼试验装置匹配良好，较好地满足了直升机旋翼试验要求。     

倾转旋翼飞行器的建模和操纵分配策略

针对倾转旋翼飞行器试飞样机建立了旋翼、机翼、短舱、机身、平尾、垂尾等部件的非线性气动模型和飞行动力学模型,研究了直升机模式、倾转过渡模式和飞机模式下的操纵特性,根据配平分析和小扰动线性化处理结果得到了不同飞行模式下的操纵效率,提出了一套适用于全飞行模式的操纵分配策略,解决了飞行控制随飞行模式变化出现的气动结构部件变化与操纵冗余的难题.利用所提出的操纵分配策略可使飞行控制器统一设计,无需按不同飞行模式设计不同控制律,有效降低了飞行控制器的设计难度.仿真验证了倾转旋翼飞行器飞行动力学模型的可信性和操纵分配策略的有效性.      

基于等效模型的流体动压指尖密封动力学及泄漏量分析

 流体动压指尖密封系统因其结构和工况条件的复杂,无法完整描述其动力学特性和泄漏性能。针对这一情况,通过有限元仿真试验,分析流体动压指尖密封系统动力学参数与指尖密封结构工况参数之间的关系,在此基础上建立等效流体动压指尖密封系统弹簧-质量-阻尼的双自由度动力学模型,实现流体动压指尖密封的动力学和泄漏性能分析。研究结果表明,只要合理选择结构和工况参数,就可以获得具有良好动力学和泄漏性能的流体动压指尖密封系统。所提出的等效动力学模型为以后进一步研究流体动压指尖密封这一复杂系统提供了有价值的思路和条件。通过与国外数据的对比,证明该等效动力学模型的可靠性和提出该模型的必要性。     

新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

武装直升机横航向解耦控制研究

应用现代控制理论中的特征结构配置法,设计了武装直升机横航向增控增稳控制系统,并通过特征向量的选型使横航向两通道实现解耦,考虑舵回路后,利用增广的模型矩阵,通过特征配置求出输出反馈控制律,进而与指令模型,机械通道传动比一起构成解耦控制的系统结构图,数字仿真结果表明,系统具有良好的解耦控制效果和闭环特性。     

基于LMI极点配置的高空台飞行环境模拟系统PI增益调度控制研究

针对高空台飞行环境模拟系统的温度和压力在整个工作包线内的鲁棒性能控制问题，提出了一种基于LMI极点配置的PI增益调度控制设计方法。在考虑变比热容腔微分方程、管道热传导、调节阀流量特性、液压伺服动态、传感器增益对飞行环境模拟系统造成的建模不确定性的基础上，建立了完整、准确的飞行环境模拟系统非线性模型；对非线性模型进行了线性化，并根据线性模型推导了基于LMI极点配置的PI控制器设计算法；在飞行环境模拟系统的工作包线内选取了36个稳态点设计了基于LMI极点配置的PI增益调度控制器；设计了两种飞行环境模拟试验来验证设计的PI增益调度控制器的鲁棒性能。仿真结果表明，飞行环境模拟系统温度的稳态误差和动态误差均小于0.1%，压力的稳态误差小于0.5%，动态误差小于0.7%。     

直升机飞行动力学模型的验模方法研究

为验证所建立的直升机飞行动力学模型的正确性，根据先验数据建立了一套验模方法，确立了直升机飞行动力学建模过程的验模准则，分别给出针对配平，线化，操纵响应等计算项目结果正确性问题一般性的判断方法，研究了全状态线化模型，降阶模型及非线性模型之间的内在联系与适用范围，分析并得出操纵响应计算结果的正确性判别方法，最后，对直升机飞行品质评估中的频域与时域参数计算方法进行了讨论，针对实时飞行仿真应用的建模提出了一些见解。     

Control-oriented modeling of a high-aspect-ratio flying wing with coupled flight dynamics

The flight-structural dynamics of a high-aspect-ratio wing challenge the flight control design. This paper develops a reduced model of coupled dynamics with stability consideration. The structural dynamics are formulated with dihedrals, and the central loads drive the deformation. The control-oriented model with essential coupled dynamics is formulated. Modal sensitivity analysis and input–output pairing are performed to identify the control structure. Besides, an example of flight control design is provided to discuss the necessity of considering structural dynamics in controller design. Analytical coupled flight dynamics provide a system-theoretic approach for stability and facilitate model-based control techniques. Simulation results reveal the characteristics of flight-structural coupled dynamics and demonstrate that the influence of flexible modes should be considered in control design, especially in lateral dynamics.     

Analysis and tuning of a ‘Total Energy Control System’ control law using eigenstructure assignment

The Total Energy Control System (TECS) is a complete airplane longitudinal dynamics flight control concept for autopilot operational control modes and Fly-By-Wire command augmentation for civil airplanes. Unlike conventional strategies, it facilitates fully integrated control of the airplane elevator and engines. This system, which is based on simple proportional and integral control of the energy states of the airplane, is much easier to design and understand than most conventional airplane controllers.This paper describes why the high visibility of the two input, two output command augmentation structure of TECS is an improvement over current flight control system architectures. Deriving a control law for TECS is currently a heuristic process. However, there is potential for tuning to be done more systematically, and this is examined by using eigenstructure analysis and assignment. To illustrate the concepts, a linear model of the longitudinal dynamics of the Aerospace Technologies Demonstrator (ATD) airplane is used. A heuristically designed TECS controller for this model is first described. The controlled airplane is then analysed using eigenstructure analysis and the results are utilised to produce an improved TECS controller for the ATD model using eigenstructure assignment.     

Minimum Sensitivity Controllers with Application to VTOL Aircraft

A technique is described for the design of a fixed-gain feedback controlier for a vertical takeoff and landing (VTOL) aircraft, which minimizes the effect of arbitrary variations in the aircraft dynamics on aircraft performance over varying flight conditions. The design method involves the assignment of the eigenvalues of the aircraft model to prescribed locations in the complex plane and the minimization of their sensitivities to model parameter variations. This controller is shown to possess better tracking and regulating capabilities than another fixed-gain controller designed merely for assignment of eigenvalues using nominal parameter values, without any consideration of their sensitivity to plant parameter variations.