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.     

基于遗传算法的高速飞行器模糊控制律设计

以吸气式高超声速飞行器X-43A的纵向通道为控制对象,针对其6自由度非线性模型设计了飞行控制系统.飞行控制系统包括2个回路,制导回路采用PD控制器,控制回路应用模糊控制器.制导回路负责跟踪轨迹,控制回路执行制导指令.基于遗传算法实现了PD反馈参数和模糊控制规则的自动优化,无需先验知识和训练数据.在控制飞行器轨迹、姿态和推力时,综合考虑非线性动态特性、不确定性和约束.仿真表明,该方法可以同时满足飞行控制系统鲁棒性和优化过程收敛性的要求.      

无人机飞行安全控制与安控器设计

针对无人机飞行安全问题,介绍了提高任务飞行安全的技术、方法和措施,提出了基于GPS卫星接收机,独立于飞控系统的无人机安控器设计思路。在研究安控策略的基础上,设计了无人机安控器,并结合某型无人机进行了安控仿真试验,结果表明安控器有效、方案可行。     

"人在回路"无人飞艇半实物仿真系统设计与实现

为开展某型无人飞艇系统的地面集成及飞行仿真试验,基于VxWorks实时操作系统、Matlab/Simulink和RTW(Real Time Workshop)快速原型建模仿真软件、FUTABA数据采集系统和三维视景系统,开发了具有高精度、高实时性的半实物仿真平台以及仿真软件.该系统的最大创新点是加入了FUTABA遥控设备以及PWM(Pulse Width Modulation)/RS-422的信号转换模块,从而将飞行员的视觉感受及操纵输出接入到仿真回路中,实现了在全遥控、半自主和自主3种模式下的"人在回路"仿真.仿真试验结果表明:"人在回路"的飞行仿真试验可验证控制律的3种模式切换功能以及姿态、航迹控制效果,提高了飞行员对该型飞行器的操纵熟练程度,可以实现在应急情况下直接控制无人飞艇平稳着陆.      

基于受限参变率的飞翼无人机舵面阵风减缓控制

飞翼无人机具有俯仰惯量低、纵向稳定性弱等问题，使其阵风响应对飞行参数的变化较为敏感，并且飞翼无人机的舵面较多，不同的控制策略下阵风减缓的效果不同。因此，对这类飞行器进行考虑参数变化率阵风减缓线性变参数（LPV）控制律设计，并对不同舵面组合方式的控制性能展开对比研究。结合参数依赖的Lyapunov函数方法和变参斜投影降阶算法，构建了同时考虑参数变化率限制和模型降阶条件的LPV阵风减缓控制器。基于该方法对Mini-MUTT飞翼无人机模型设计LPV阵风减缓控制器；探究了不同舵面控制策略对减缓效果的影响。结果表明:采用变参斜投影降阶算法得到的降阶模型可有效表征全阶模型的动力学特性；设计的LPV阵风减缓控制器能够保证阵风在较宽速度范围内有效减缓；在单一舵面阵风减缓中，置于外侧的舵面控制效果优于内侧舵面；而在双舵面阵风减缓中，双舵面的控制效果优于单一舵面，但控制所需输入能量也会增加。在工程应用中需要针对具体问题，综合考虑控制效果和能量消耗以确定合适的控制策略。      

输入受限下多无人机三维协同路径跟踪控制

针对多无人机在三维空间的协同路径跟踪问题,设计了基于反步法的协同控制器。考虑无人机在飞行过程中的输入饱和问题,加入辅助控制系统,以确保系统在输入受限下仍能保持良好的控制性能。将无人机六自由度非线性模型反馈线性化处理,同时考虑无人机飞行时受到的外界不确定扰动及自身模型存在的未建模动态,利用径向基函数在线估计补偿,提高了系统的鲁棒性和抗干扰能力。为了解决反步法需要对虚拟控制量求导导致的控制器复杂问题,引入一阶滤波器,避免对虚拟控制量的求导。利用图论解决无人机机间通信问题,基于一致性理论实现了多无人机的协同控制。基于Lyapunov稳定性理论,证明了系统的稳定性,仿真结果表明,所设计的路径跟踪协同控制器能够达到良好的协同跟踪控制效果。      

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。      

抗控制饱和的鲁棒非线性飞行控制方法

飞行器在大包线范围内作机动飞行时,其舵面和发动机易达到饱和,该现象不仅会对闭环系统的稳定性造成影响,而且会大大缩短发动机等关键部件的使用寿命。针对该问题,设计了一种抗饱和非线性飞行控制方法。首先,建立飞行器的严格反馈非线性模型。然后,采用自适应反步设计思想设计得到舵控和发动机转速控制指令,由径向基函数（RBF）网络对建模误差进行逼近。针对控制饱和问题,分别设计了相应的抗饱和动态补偿系统。通过建立闭环控制系统的李雅普诺夫函数,由稳定性理论确定得到RBF网络的更新权值和抗饱和动态补偿系统的结构参数,确保所设计的闭环控制系统全局稳定。最后,仿真结果表明,在出现控制饱和时,抗饱和动态补偿系统可对控制指令进行实时修正,帮助系统较快脱离饱和状态,系统饱和时间缩短了30%~60%,同时具有较高的指令跟踪精度。      

一种无人机通用综合检测系统

为了增强无人机系统检测控制设备的通用性,提高检测精度,设计了一种基于面向仪器系统的PCI扩展(PXI)总线及虚拟仪器(VI)的无人机通用综合检测系统.针对无人机系统工作的特点,从功能设计、体系结构、软硬件设计等方面对该系统的通用性进行了探讨.该系统采用了虚拟仪器技术,硬件设计采用PXI体系结构,软件以LabWindows/CVI作为开发平台.通过配备不同的接口适配器和对软件参数设置进行相应更改,可适用于不同型号的无人机电气、舵机、发动机、起飞和回收等系统检测.同时提供矩阵输出,利用系统资源满足无人机各种信号测试/激励的需求.该系统已成功应用于某复杂型号无人机的地面综合检测.      

某型无人机数据通信系统设计与实现CSCD

为了实现无人机系统的飞行操纵和机载任务设备控制,设计了数据通信系统。介绍了系统基本工作原理和主要功能组成,并对数据通信系统的功能要求和技术指标进行了分析,按照基本功能单元,对系统软硬件进行了模块化、组合化设计。飞行试验表明该设计达到了系统技术指标要求,满足系统对数据通信系统的功能性要求。     

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。     

高超声速飞行器再入段滚转控制与舵系统技术指标

文章通过分析高超声速飞行器再入段横侧向对象特性,确定动压达到一定条件气动舵面完全参与姿态控制时的滚转控制策略.基于滚转回路结构,理论分析滚转回路性能指标与控制律参数的关系,估计舵系统带宽.结合仿真手段,给出典型状态下的定点计算结果,确定舵系统带宽要求.另外,通过仿真研究,探讨舵系统时间常数、阻尼比和时延对滚转控制品质的影响.     

基于机械干涉理论估算无人机舵机电位计磨损可靠工作设计

基于机械产品强度与应力干涉理论,分析计算了无人机飞控系统重要组件舵机中的位置反馈电位计耐磨可靠度和可靠性系数,估算了不同可靠度情况下的舵机的可靠工作寿命,为无人机飞控系统设计和使用维修提供依据。     

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.     

燃料电池无人机动力系统半实物仿真

针对燃料电池无人机（UAV）动力系统飞行测试困难的问题，为了提升动力系统设计与开发水平，以燃料电池、锂电池、DC/DC功率转换器、电子调速器和直流无刷电机组成的动力系统作为实物介入，无人机动力学、自动驾驶仪、螺旋桨、飞行环境等数学模型为软件部分，无人机的油门信号控制及飞行过程中电机的载荷等为模拟仿真部分，以信号发生器、测功机及扭矩加载装置为软硬件接口，设计并搭建了燃料电池无人机动力系统半实物（HIL）仿真平台。面向典型任务剖面，基于状态机管理策略，对燃料电池/锂电池电动无人机的动力系统进行了半实物仿真研究，分析了半实物仿真平台和管理策略的有效性和实用性。      

基于Labview的磁罗盘测试系统设计与实现

磁罗盘是无人机航向测量的常用关键部件，为了测试其性能的好坏，设计了一套基于PXI总线计算机等硬件和Labview软件的磁罗盘智能测试系统。该系统能够有效地完成LP-1磁罗盘各项性能测试，具备友好的人机交互界面，能够对测试数据进行保存。实际应用表明，该系统工作稳定、操作简便，在无人机部件装机放飞前能够及时发现磁罗盘部件故障隐患，提高了无人机飞行安全。     

盘旋跟踪地面目标小型无人机控制系统设计

针对一种大展弦比、V形尾翼常规布局小型无人机盘旋跟踪地面目标飞行的飞行控制策略进行了研究.采用了一种单轴光电探测系统修正视场纵向误差,无人机航向控制修正视场横向误差的控制方法.设计了一种自适应PID(Proportion Integration Differention)控制器,并通过对无人机六自由度非线性运动模型的建模分析,进行了控制律的仿真验证,并将算法融合在盘旋跟踪飞行实验中.仿真及实际飞行实验结果表明:该控制系统在突风等大扰动的影响下获得了良好的动态性能指标,并有效地抑制了飞机姿态通道对视轴通道的耦合影响,满足了飞行任务的需求.