直升机阵风响应缓和控制律设计

本文提出直升机抑制阵风扰动的最优控制律设计方法。优化性能指标要求在阵风扰动下驾驶员处法向过载、飞机姿态变化、以及控制信号能量损耗最小。最终所综合的系统工程实现简便,只需在直升机姿态控制系统基础上增加垂直升降速率反馈通道即可。为跟踪90年代采用高级语言开发飞控应用软件的总趋势,本文使用C语言对优化控制律进行编程。数模混合仿真表明,控制律优化及数字化实现的效果是令人满意的。     

一种考虑直升机状态矩阵摄动的 改进LMI设计方法

基于线性矩阵不等式(Linear matrix inequality,LMI)的鲁棒控制方法在直升机飞控系统设计中得到了广泛的应用,现有方法在设计中仅考虑了阵风和噪声等外界干扰引起的控制对象模型不确定性,未考虑直升机飞行状态变化引起的状态矩阵摄动。本文发展了一种能够同时考虑直升机外界扰动和状态矩阵摄动的改进LMI方法,并基于Z-11直升机,针对姿态指令姿态保持(Attitude command attitude hold,ACAH)响应类型进行设计。最后在Matlab/Simulink环境下进行了仿真验证。结果表明基于本文设计方法得到的控制律具有较高的控制精度,同时具有增强的鲁棒性。     

基于粒子群优化的直升机飞行控制律设计方法

针对直升机强耦合特性导致飞行控制律设计难度高的问题,提出了一种基于粒子群优化算法的改进线性二次型调节器(Linear quadratic regulator,LQR)设计方法。针对直升机的线化状态空间模型,基于LQR设计方法建立了直升机飞行控制律全状态反馈矩阵的基本求解算法;以系统稳定性为约束,以最大化主状态反馈系数影响因子为目标,设计了粒子群优化算法的指标函数,实现了加权矩阵Q的多参数同步优化设计,并以优化后的主状态反馈系数作为直升机控制律设计结果。采用本文方法对UH-60A直升机悬停状态的飞行控制律进行了设计和验证。结果表明,基于本文方法得到的控制律具有良好的控制性能,并且能够显著提高直升机的飞行品质。同时本文的优化方法系统地解决了LQR设计过程中加权矩阵确定的困难,提高了控制律的设计效率。     

直升机"地面共振"的输出反馈最优控制

在导出采用 Ｓ Ａ Ｓ的桨距控制的直升机“地面共振”空间模型的状态方程和输出方程的基础上，研究抑制直升机“地面共振”的控制律综合设计方法。鉴于工程实用性，宜采用可测得的输出作反馈控制；由于直升机旋翼工作转速范围宽，反馈控制应保证旋翼从起动到最大工作转速范围内闭环系统全速稳定。因此，提出并研究满足上述要求的基于输出反馈的次最优控制法与基于观测器的输出反馈最优控制法。仿真计算表明了这些方法对抑制直升机“地面共振”的有效性。     

基于量子控制与自适应补偿器的直升机直接自修复控制

针对发生复杂故障情况下的直升机采用量子控制理论与自适应补偿器技术进行直接自修复控制方法研究.首先对线性参数时变直升机控制系统进行模型参考自适应控制器设计;其次在外环增加自适应补偿器提高直升机控制系统的自修复控制能力,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了该系统的稳定性.最后为提高自修复控制律的抗干扰能力,在不影响系统稳定性的前提下,在故障信号与干扰信号之间增加量子前馈控制模块.仿真结果表明了该控制方法的有效性.     

直升机切换LPV鲁棒跟踪控制

针对直升机跟踪控制问题,提出了一种基于模态依赖平均驻留时间(Mode-dependent average dwell time,MDADT)切换信号的线性变参数(Linear variable parameter,LPV)控制方法。在直升机全飞行包线内选取可以表征直升机飞行特性的状态作为增益调度变量,利用"小扰动"假设将全量方程进行线性化处理并对其配平求解,将复杂的非线性模型转化为可以计算求解的线性模型。采用雅可比线性化方法在非线性模型平衡点处进行线性化处理,使用数据拟合的方法在理论上建立与非线性模型动态接近的LPV模型。对时变参数进行区间划分,结合参数依赖的多Lyapunov函数和MDADT方法,给出了保证切换LPV系统全局一致指数稳定的充分条件。考虑时变参数的渐变特性,以及由于测量误差和参数飘移等因素而造成的控制器增益变化,得到了在MDADT切换信号限制下的切换律。仿真结果表明所设计的控制律能有效动态跟踪直升机前飞的不同状态量,验证了所建模型和控制算法的有效性和可行性。     

无人直升机非线性飞行仿真建模与验证

针对无人直升机飞行仿真,建立了能够满足实时仿真要求的非线性飞行动力学模型。以某型无人直升机为样例,开展飞行控制律设计,完成了悬停机动飞行和小速度飞行的半物理仿真,并与飞行试验数据进行对比验证。分析表明:仿真结果和试验结果吻合,验证了非线性飞行动力学模型的准确性。飞行过程中,直升机姿态能够较好跟踪其设定值,验证了飞行控制参数的合理性。     

无人直升机自适应神经网络姿态控制

回顾了自适应飞行控制技术、反馈线性化和模型逆理论，分析了误差动力特性．设计了自适应神经网络姿态控制系统。其中，模型逆基于悬停状态，基于神经网络的自适应控制律能够确保跟踪误差和控制信号的有界。仿真结果表明：模型逆增强的非线性神经网络能够对无人直升机的不确定性和建模误差进行自适应。而且对PD控制器和鲁棒项系数变化的仿真结果进行了比较。     

航路序贯飞行条件下的航空器自主间隔控制

针对航路序贯飞行条件前机减速情况下两航空器的间隔保持问题,在考虑航路飞行存在的随机扰动因素的情况下,提出了基于滚动时域控制的航向角调整和真空速调整的混合间隔保持策略。对不考虑随机扰动的静态离线优化、仅使用速度调整的在线优化和混合间隔保持控制律在线优化3种间隔保持策略进行了对比,仿真的结果表明,不考虑随机扰动的静态优化在预计机动时间结束后没有回到航路中心线,仅考虑速度调整的间隔保持策略在254 s内完成了机动飞行,同时采用速度调整和航向调整的混合间隔保持策略在97 s内完成了机动飞行,机动效率提高了61.8%。结果表明了混合间隔保持策略的有效性、高效性及鲁棒性。     

无人直升机飞控系统设计与应用

论述了将Voyage模型直升机改造成全自主无人直升机的工作。首先,改造了直升机结构,设计了飞控电子设备和基于客户／服务模式的飞控软件和地面站软件;其次,利用扫频数据进行频域辨识,建立了直升机姿态通道的动力学模型;最后,设计了飞行控制律,实现了在悬停和低速下的全自主飞行。     

高速风洞摆动叶片式阵风发生器非定常流场数值模拟与试验验证

为降低2.4 m大型连续式跨声速风洞阵风发生器的研发风险，以中国航空工业空气动力研究院0.6 m连续式跨声速风洞为依托，设计加工了一套摆动叶片式阵风发生器模型。以此为研究对象，采用自研ENSMB流场计算软件进行了非定常流场数值模拟并进行了试验验证，分析了摆动叶片式阵风发生器下游阵风速度场形成机理及分布特性，重点开展了叶片摆动频率和最大摆动幅值等参数对叶片下游阵风速度幅值影响规律研究。结果表明:计算结果与试验结果吻合较好，叶片下游的阵风速度场是由叶片尾涡引起的，且随时间呈周期性正弦规律变化，阵风速度幅值沿叶片展向分布不均，存在较大波动；阵风速度幅值先随叶片最大摆动幅值的增大而增大，在叶片最大摆动幅值为10°时达到最大，之后无明显变化，这可能是由于摆动幅度增大后叶片失速所致；叶片摆动频率的变化仅影响叶片下游阵风速度频率，对阵风速度幅值的影响不明显。     

FL-12风洞突风试验装置研制

论述了在FL-12风洞研制的垂直和水平两种突风发生器,两者都是通过电机驱动凸轮、凸轮带动连杆使叶片摆动,改变电机的转速和凸轮的偏心距来产生叶片不同的频率和振幅,同时还介绍了两种突风发生器的优缺点、安装方法以及减振隔振措施.通过突风流场的测量,得出:突风区域内左右和上下位置突风流场变化较小,前后位置突风流场变化规律为离叶片越近,正弦规律越明显,突风流场越纯正;离叶片越远,正弦风速受干扰越大,突风流场越不纯正;正弦突风流场的风速幅值与来流风速、叶片个数、叶片摆动频率和测点距叶片的风洞轴向距离有关,并且都是正相关的关系.最后简要介绍了突风响应及减缓两期试验,试验结果表明:突风发生器能产生均匀的垂直和水平突风流场,突风频率和强度均可满足弹性模型突风试验要求,FL-12风洞具备了突风响应试验研究技术.     

考虑俯仰时鸭式布局飞机突风载荷系数计算

采用离散突风模型，通过解飞机运动微分方程，分析计算了飞机在考虑纵向转动时的突风过载系数，与ＮＡＣＡＲ１２０６的计算模型相比，本文的模型考虑了因俯仰而产生的升为增量和因俯仰使飞机迎角变化而产生的升力增量，并以ＡＤ２００双座鸭式布局轻型飞机为例，分析和计算了飞机俯仰对突风过载系数的影响。尽管轻型飞机穿过一个突风的时间相对较长，但对具有静稳定性的飞机，特别是对于通常具有前翼先失速特点的鸭式布局飞机．飞机的俯仰对飞机的最大过载影响不大。ＡＤ２００飞机突风过载计算结果表明：飞机的纵向转动对鸭式布局飞机的突风过载系数的影响很小，可忽略不计，即ＮＡＣＡＲ１２０６给出的突风载荷系数计算公式对鸭式布局轻型飞机是足够精确的。     

阵风发生装置流场测量与分析

以小型阵风发生装置为研究对象,采用二维热线风速仪,测量了不同工况下的阵风装置流场参数,给出了二维热线仪测量方案和在线角度修正方法,以及阵风幅值和波形稳定性计算方法。结果表明:采用风洞在线角度修正,可以提高二维热线的犢向测量精度和测试效率;采用波形相位分析方法,可以满足阵风发生器产生的周期性波形的幅值和流场脉动量分析;阵风幅值与4~15Hz 的叶栅摆动频率、8°~30°的叶栅摆动角度、50~100mm 的叶栅弦长成正比关系;阵风波形的不稳定性(等相位速度脉动量)与叶栅摆动角度、来流速度有一定的线性关系,在本试验范围内随叶栅摆动角度、来流速度的增加而增加,同时,适当的叶栅摆动频率可以降低叶栅的波形不稳定性。研究结论对阵风发生装置研制及其流场测量具有一定的参考意义。     

一种两自由度全机模型阵风试验支撑装置研制

全机模型风洞阵风试验不仅要求模拟飞机弹性模态,还要求模拟飞机刚体运动模态。国内现有的气弹试验钢索悬挂支撑方式和侧壁支撑方式不能满足全机模型阵风试验支撑需求。为此,在中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所8 m×6 m风洞中研制了一套两自由度支撑装置。该装置可提供模型沉浮和俯仰方向较大的运动自由度,以模拟飞机刚体运动模态。装置主体采用"双滑轨+钢梁"结构形式,支撑结构左右对称;沉浮运动范围达到2.8 m,沉浮运动摩擦系数达到0.006;俯仰运动范围达到±10°;安装50 kg模型后,支撑频率不低于12 Hz;对风洞试验段的结构改动可以忽略。通过结构和材料优化措施,使得滑动小车质量控制在6 kg以内。利用该装置成功完成了一期全机模型两自由度阵风载荷减缓试验,验证了该装置的实用效果。     

基于神经网络的一类非线性关联大系统鲁棒滑模分散控制

针对一类具有未知界扰动和子系统部分已知的非线性大系统,结合神经网络逼近方法、滑模控制研究了一种新的分散鲁棒自适应控制方法。所设计的分散控制器分为两部分,一是等效控制器,二是滑模控制器。滑模控制器用来减小系统的跟踪误差,起鲁棒控制作用。文中用神经网络逼近非线性未知函数,将网络权值误差引入到网络权值的自适应律中用以改善系统的动态性能。仿真算例证明了所设计的鲁棒分散控制器是有效的。     

直升机机动性探讨

提出了直升机机动性的定性解释和定量评价参数，讨论了机动性对直升机效能的意义，论述了机动性与灵活性的关系以及影响机动性的设计参数，介绍了美国陆航设计标准中对直升机在频域响应方面的要求和试飞验证规定。文中举例分析了发动机／旋翼集成控制系统对提高机动性、改善飞行品质的应用，并指出自动控制理论和电子技术将对今后提高直升机的机动性起重要作用。     

计及诱速不均匀挥扭耦合的直升机侧风稳操特性

本文研究了无铰旋翼直升机在侧风下的稳定性和操纵件。旋翼动力学模型采取挥舞-变距(包括操纵系统的弹性变形)-扭转耦合的模型,桨盘诱速模型采用广义涡流理论所导出的诱速分布。推出的表达式除适用于研究侧风的影响外,还可以进一步研究剖面质心、气动力中心,弹性轴位置、操纵系统刚度和桨叶剖面扭转刚度对直升机稳定性和操纵性的影响。 本文以某典型直升机为例,详细考虑了诱速分布、挥扭耦合和侧风对直升机稳定性和操纵性的影响,计算结果和试飞数据有较好的一致。