模型降阶在折叠机翼主动控制中的应用研究

针对以主动控制为目的的模型降阶中的降阶精度以及控制系统的降阶设计问题,以变体飞机折叠机翼为对象,建立以模态综合法为基础的动力学模型,对该模型分别采用模态价值分析方法和平衡截断降阶方法建立结构的降阶模型;利用可控度、可观度对两种降阶模型的精度进行对比分析,对降阶模型进行设计并施加主动控制律,抑制翼尖的位移响应。结果表明:平衡截断降阶模型具有较高的可控度,模态价值分析降阶模型具有较高的可观度;两种降阶模型均可以快速精确地得到高阶动力学的降阶模型,并且该模型可以有效地应用于主动控制系统的设计。     

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。     

变截面梁式压电智能板振动控制的小波模式

基于 Daubechies小波理论的尺度函数变换 ,对于变截面悬臂板结构的弯曲建立了由压电片感应器的观测电量识别挠曲变形构形的显式关系式。此基础上 ,采用具有位移与速度信号负反馈控制律后 ,建立了抑制振动的压电动力控制程序。由于小波尺度函数逼近具有低带通性质 ,即具有自动滤除高频分量的能力 ,该控制程序将不会出现由观测溢出与控制溢出耦合而造成的控制失稳 (即在抑制低频 (阶 )扰动时系统激发出高频 (阶 )扰动的现象 )。数值仿真结果表明 :该控制方法所能控制的模态阶数与压电片数相同 ,而且其控制程序在抑制外界干扰方面是有效的。     

附加连接对主动指向超静平台控制效果的影响

超精超稳超敏捷卫星在航天器星体平台的基础上引入二级控制主动指向超静平台（ASP）实现了载荷的振动隔离与敏捷机动。载荷与卫星平台之间的附加连接可能导致系统指向精度与隔振效果的下降。为此，利用仿真与试验分析研究了线缆、热管等附加连接对主动指向超静平台控制性能的影响。首先，利用牛顿-欧拉方法建立了超精超稳超敏捷卫星多级动力学模型，将线缆、热管连接等效为附加刚度，建立附加连接的力学模型，为分析附加连接对系统产生的影响提供动力学基础。其次，仿真分析了附加连接对系统隔振效果、稳定性的影响，为实际卫星的设计与测试提供理论支持。为进一步掌握附加连接的刚度特性和对系统控制性能产生的影响，设计对主动指向超静平台开展控制系统的全物理仿真试验。试验结果表明，采用试验中线缆、热管的装配布局对主动指向超静平台控制的稳定性、指向精度与稳定时间均无明显影响，试验中线缆、热管的装配布局对整星的安装设计有重要参考意义。最后，提出了一种自适应预设性能非线性控制器，解决了附加刚度存在下平台与载荷之间的耦合与振动抑制问题，数值仿真结果显示，提出的自适应预设性能控制改善了载荷与平台之间的动力学耦合问题，进一步提升了载荷的敏捷机动...     

航天服软式上躯干主动适体方法

上躯干结构是航天服的基础部件,对服装的适体性具有直接影响。上躯干的适体性设计分为被动适体和主动适体,其中主动适体可实现软式上躯干结构的形态调节,获得最大程度的适体效果。应用Stewart平台原理开展软式上躯干主动适体方法研究。首先,探讨分析了Stewart平台的特点与运动学;其次,将Stewart平台控制原理应用于软式上躯干主动适体设计,提出了针对肩法兰的主动适体方法;再次,分析了主动适体方法的运动学,建立了主动适体方法的数学模型,并通过模型计算了主动适体方法的性能;最后,搭建了软式上躯干主动适体样机,开展了主动适体方法实验。研究结果表明,建立的针对肩法兰的软式上躯干结构主动适体方法可以有效地调节肩法兰的空间位置、角度,满足上躯干的主动适体要求,证明了应用Stewart平台建立主动适体方法的可行性。研究结果为未来航天服的适体性设计提供了参考。     

跨声速风洞试验模型主动减振结构优化设计

针对跨声速风洞试验模型支撑结构,采用压电作动器嵌入支杆,形成一体化主动减振系统来抑制模型在风洞试验过程中的振动.分析了模型支撑结构在风洞试验过程中的振动特性和主动减振系统的控制原理,建立了压电作动器/风洞模型支撑结构相互耦合的动力学模型.在此基础上,采用模态可控性理论及模态价值理论,给出了主动减振结构控制能力的定量描述...     

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。     

基于降阶模型的翼型颤振主动抑制研究

为了解决CFD/CSD计算效率低下的问题,基于气动力降阶模型建立开环气动弹性分析系统,耦合操纵面模态对应的气动状态空间方程,发展了一套伺服气动弹性分析系统,设计主动控制律从而进行二维翼型颤振抑制。结果表明,基于ROM计算的无量纲颤振速度准确性及精度高;使用开、闭环气弹系统时基于ROM和CFD分别仿真时域仿真结果吻合较好;基于ROM闭环气弹系统的NACA0012翼型气弹颤振边界比开环气弹系统提高了约20%。研究结果为有效抑制翼型颤振提供一种快速计算和设计方法。     

基于自适应滤波器的磁悬浮控制力矩陀螺内转子振动抑制

磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope,MSCMG)内转子存在的多源高频振动会影响自身稳定性,导致卫星姿态指向精度降低.针对其高频扰动及抑制问题,以所研制的小型立式单框架磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象,建立动力学模型并分析了高速磁浮转子的振动特性,为内转子振动抑制提供依据.采用非参数频域辨识方法辨识整机内转子中频结构模态,通过在控制回路中串入二阶微分环节对其进行相位补偿.在稳定控制的基础上,采用自适应跟踪滤波器设计了高速磁轴承-转子系统振动抑制控制器对同频和倍频分量进行振动辨识和抑制,并在样机上进行了宽转速范围内的振动测试.实验结果表明:所设计的振动补偿控制器稳定、可行,最高工作转速达到30000rpm,全速域范围内振幅最大不超过0.07m/s2,轴心位移振动幅值和控制电流大大降低,有利于提高力矩陀螺整机的角动量指向精度.     

柔性天线面对漂浮基星载天线扰动分析及抑制

 为了研究柔性天线面弹性变形对漂浮基星载天线的扰动,采用固定界面模态综合法和Lagrange方法,通过轴末端与天线面交界面的协调关系,推导了大范围运动的星载天线刚柔耦合动力学模型,其所建立的动力学模型计算效率高并具有足够的精度。分析了柔性天线面弹性变形对星载天线的扰动,利用PD+振动力反馈控制抑制系统振动,并基于Lyapunov方法证明了控制系统的渐近稳定性。仿真结果表明：天线工作过程激起了柔性天线面弹性振动,进而引起星载天线的抖动,严重影响了星载天线的指向精度;利用其控制策略能快速抑制系统振动。结论对天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

多控制面飞机的全机颤振主动抑制设计

 以仿F/A-18A外形的全机模型为对象,研究多输入/多输出（MIMO）飞机颤振主动抑制（AFS）设计方法和特点。控制律采用线性二次型高斯（LQG）方法,结合平衡截断法降阶。首先,仅用机翼舵面对机翼部件和全机设计AFS控制律;然后,全动平尾参与AFS控制;最后,机身额外加装小翼,与机翼舵面联合控制,考察AFS效果。研究发现：单独机翼AFS效果显著,颤振速度提高28%;全机构型有机身模态参与颤振,仅用机翼舵面,低阶控制律颤振速度增量仅为4.6%;全动平尾参与控制可改善低频颤振,但存在低速的高频不稳定模态;机身小翼与机翼舵面联合控制,AFS控制效果可达14.9%。最终,筛选出机翼后缘内侧舵面与机身小翼两组控制面进行AFS设计,即可达到14.5%的颤振速度增量,是较为理想的AFS方案。     

基于旁路溢流原理的流体脉动主动控制

 随着现代飞机液压系统向高压、大功率方向发展，周期性流体脉动更容易在液压能源系统中产生流固耦合振动，导致液压管路疲劳破坏。针对被动式流体脉动抑制方法不具备自适应性、对低频脉动抑制效果差等缺点，提出了基于旁路溢流原理的流体脉动主动控制方法，即在与能源主管路连通的分叉管路上安装压电陶瓷驱动伺服阀主动消振器，通过主动消振器的溢流产生次级脉动波与主管路中原有压力波相互抵消，使管路中流体脉动减小。并针对流体脉动周期性特点，提出一种在线频率估计的自适应前馈控制方法，利用参考传感器测量泵源脉动信号，在线获取脉动频率，并以此频率构造控制器的参考输入信号，实现对流体脉动的主动控制。为验证所提方法的有效性，设计了主动消振实验平台。实验结果表明，所提出的脉动主动控制方法具备很强的自适应性，能对流体脉动进行很好的抑制。     

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。     

基于内模控制的多输入多输出高阶振动系统

常规的比例-积分-微分(PID)控制器一般用于单输入单输出系统。对于具有多个输入和多个输出且相互之间具有较强耦合作用的高阶多变量系统,PID控制器的设计常难以实现。针对高阶柔性结构振动控制问题,提出如下PID控制策略：首先在某一频段内对频响函数进行拟合降阶,建立过程模型,然后采用内模控制方法和麦克劳林展开式设计多输入多输出振动系统PID控制器。以4层刚架进行建模仿真计算,结果表明,通过本文方法设计的PID控制器,可以在避免未控模态影响的前提下,使外部干扰得到有效抑制,得到比较理想的控制效果。     

基于本征正交分解的叶片碰摩系统降阶方法

针对叶片碰摩响应求解问题,提出了采用本征正交分解进行动力学降阶的方法。通过对快照矩阵进行本征正交分解生成投影子空间,将系统动力学方程投影到子空间进行模型降阶,并结合数值积分方法进行了碰摩响应求解。基于降阶模型分析了不同转速及侵入量参数下的叶片碰摩响应,并与全阶模型进行了对比。结果表明:降阶模型的时域响应幅值偏差小于5%,计算效率了提升98.4%;通过改变叶片转速、侵入量参数验证了降阶模型的鲁棒性,并且发现随着转速、侵入量的增加,本征正交模态能量在低阶与高阶之间发生转移,并呈现出不同的传递规律,由转速引起的模态能量转移与结构的固有频率存在一定关系。该方法及结论可为叶片碰摩分析及故障诊断提供依据。      

头盔伺服系统的主动柔顺控制

 对头盔伺服系统(HMDPM)主动柔顺控制策略的主要内容——轨迹规划和控制方法进行了研究。首先,采用基于力反馈和滑动杆动力学模型的头部运动预测法进行轨迹规划,该方法利用并联机构(PM)分支杆长与运动平台位姿间的映射关系,通过力反馈信息和6-3UPS并联机构滑动杆动力学模型对头部运动进行预测,为头盔伺服系统的位置控制提供期望轨迹;然后,基于头盔伺服系统的动力学模型对系统的惯性项和非线性项进行了计算,设计了惯性项和非线性项补偿控制器,在进行头部运动跟踪的同时,实现了头盔显示器与头部间接触力的控制;最后,采用SimMechanics模块建立了HMDPM—人交互模型,并进行了相关验证实验。仿真结果表明,基于力反馈和滑动副滑动杆动力学模型的头部运动预测法能实时地、较为准确地预测出头部运动位置;基于动力学模型的惯性和非线性项补偿控制器不仅可以较为准确地跟踪头部运动,而且还能有效地减小头盔显示器与头部间的接触力,降低执行机构的刚度、减少系统摩擦力等非线性因素对使用者的干扰。     

双回路鲁棒控制方法在弹性飞行器中的应用

针对弹性飞行器综合鲁棒控制性能受模型降阶误差影响的问题,提出了一种双回路鲁棒控制设计方法.首先利用次优控制方法设计内反馈回路,有效降低了降阶后模型的误差界;然后采用混合灵敏度H∞鲁棒控制方法设计外回路,保证了系统的鲁棒稳定性和性能.仿真结果表明,双回路方法并没有增加控制器阶次,但在满足系统鲁棒稳定性要求的前提下较大地提升了控制器性能,其控制性能明显优于单回路鲁棒控制器.同时这种控制器能够有效降低控制系统与动力学系统间的不利耦合,延缓伺服颤振的发生,是一种非常适用于弹性飞行器的控制方法.     

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。     

基于李亚普诺夫稳定性理论的压气机失速主动控制方法

针对压气机主动稳定控制方法中模态控制需要大量传感器及高频执行装置的不足,以喷气装置作为失速控制的执行机构,基于李亚普诺夫稳定性理论,利用回溯法设计了采用周向同步喷气的压气机预失速和过失速阶段的失速控制算法。理论分析和仿真结果表明,采用该方法,在预失速阶段,经过约1.1s持续喷气后,扰动的各阶模态的幅值均趋于0,各阶模态的相位均趋于恒定;在过失速阶段,持续约0.1s的喷气控制后,扰动的各阶模态被完全抑制,其各阶幅值趋于0,各阶模态相位趋于恒定;实现了对预失速和过失速的有效控制。由于以平均流量作为反馈输入,该方法只需安装少量传感器,且喷气装置的作动频率不高于50Hz,远低于模态控制方法。此外,采用同步喷气,也降低了执行机构的复杂性。