利用压电驱动器改善飞机的横滚性能

利用分布粘贴在矩形机翼上下两面的压电驱动器 ,验证了使用该类结构提高飞行器横滚能力的可能性。针对常规的副翼操纵面与虚拟操纵面 (FictitiousControlSurface)两种方案 ,比较了在不同速压或不同刚度下两类方案的表现。分析结果表明二者有本质的差别 :对于常规的副翼操纵方案 ,气动弹性效应是不利的 ,必须保证机翼具有足够的结构刚度以防止副翼反效问题 ;但对于虚拟操纵面方案 ,气动弹性效应是有利的 ,可以使用较小的能量控制较为柔软的机翼达到要求的横滚性能。计算结果显示 ,利用压电驱动器的方案可以大大减少结构重量     

Improvement of Aircraft Rolling Power by Use of Piezoelectric Actuators

利用分布粘贴在矩形机翼上下两面的压电驱动器，验证了使用该类结构提高飞行器横滚能力的可能性。针对常规的副翼操纵面与虚拟操纵面(Fictitious Control Surface)两种方案，比较了在不同速压或不同刚度下两类方案的表现。分析结果表明二者有本质的差别：对于常规的副翼操纵方案，气动弹性效应是不利的，必须保证机翼具有足够的结构刚度以防止副翼反效问题；但对于虚拟操纵面方案，气动弹性效应是有利的，可以使用较小的能量控制较为柔软的机翼达到要求的横滚性能。计算结果显示，利用压电驱动器的方案可以大大减少结构重量。     

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件，但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响，因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性，采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模，并采用粒子群算法（PSO）辨识模型参数，与实际测量迟滞曲线进行了对比，在10~60 Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于Bouc-Wen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，实验结果显示该控制策略能够在10~60 Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型，并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真，仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能，而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。     

压电驱动器的气动弹性应用

 随着压电智能材料与结构的发展,压电驱动器在气动弹性控制领域占据重要地位。使用压电驱动器控制翼面变形,利用而不是抵抗气动弹性效应可以控制升力、力矩以及它们的分布。采用基本相同的智能结构翼面控制系统,根据不同的控制目标需求,使用压电智能材料驱动器可以达到多种目的,包括静态的形状控制与动态的颤振抑制、抖振控制与阵风响应控制。静态控制方面例如改变翼面形状获得附加空气动力以增加升力、提供横滚力矩、改变升力分布以减小诱导阻力或减小翼根弯矩等;动态控制例如利用改变翼面形状产生的附加空气动力作为控制载荷,改变气动弹性系统的耦合程度,根据控制效果要求可作为气动阻尼、气动刚度或气动质量。这种控制方法可以减轻结构重量,提高操纵效率,扩大飞行包线,提高材料利用率,已成为可变形飞行器的重要研究内容。本文主要阐述压电驱动器气动弹性应用的动机与机理、发展与成就以及问题与展望。     

含脱胶压电传感器/驱动器的智能结构的有限元分析

将压电传感器、驱动器粘贴在复合材料结构的表面可实现结构的振动主动控制 ,但若传感器、驱动器部分脱开会对结构的静、动态特性产生显著影响。建立了一个新的加强假定应变压电固体单元 ,用于压电自适应层合结构振动主动控制的模拟仿真。与现有的压电固体单元相比 ,所建单元性能更优越 ,精度和计算效率更高 ,并能用于壳体结构的分析。采用相同坐标值但不同的节点号的方法模拟脱层 ,利用该单元分析了传感器、驱动器脱开对结构动力学特性的影响。     

压电驱动器应用中的模型分析

随着压电材料的快速发展,压电驱动器在结构控制领域的使用也日益广泛。压电驱动器应用时要通过胶粘剂与主体结构固结,达到传递应变,实现控制结构变形的目的。本文对于这个工程问题的理论分析模型——均匀应变模型做了进一步分析讨论,并进行了数值仿真计算,得到了胶粘剂性质变化对驱动效果的影响情况。对结构端部的层间剪切应力的仿真模拟表明,在压电驱动器粘贴的主体结构的边缘处要加强胶粘剂的剪切强度,以防止边界脱层的发生。     

基于在线识别与全维状态观测技术的埋入压电片复合梁的振动主动控制研究

 介绍利用埋入复合材料梁的压电传感器和驱动器对其振动进行主动控制的实验研究及其结果。利用埋入的压电传感器和驱动器对其进行模型识别而得出结构的动力学模型, 再将该模型用于控制器的设计,其优点是当结构本身或者约束、环境等发生变化后, 可对结构的模型重新进行在线识别, 及时更新控制参数,避免控制失效, 而且不需要事先知道结构的其他属性。应用最优控制理论的全维状态观测器技术, 结合所选取的压电传感器和作动器识别的结构动力学模型, 可以设计出其最优控制器。实验表明, 传感器信号的频谱峰值最大可以被有效地降低20dB 左右。     

压电陶瓷驱动器的迭代学习逆补偿混合控制

由于压电驱动器具有迟滞、蠕变等非线性特征,在精密定位中存在较大的位移跟踪误差。本文对此提出了一种逆补偿和迭代学习控制算法相结合的控制方法。利用逆补偿器作为前馈,使压电陶瓷驱动器的位移跟踪误差得到一定的补偿,再利用迭代学习控制方法进行反馈,进一步减小压电驱动器的位移跟踪误差。仿真实验结果表明,该方法具有良好的控制效果,能够将驱动器的输出位移误差由37.26%减小到0.51%以内。     

用于直升机振动控制的主动调谐式吸振器研究

振动问题是直升机设计中的难题,会导致机体结构疲劳、舒适性降低和高噪声等问题。通常的单桨叶控制方案由于受压电驱动器机电性能的限制而难以实现。智能弹簧是一种采用单桨叶控制原理的主动调谐式吸振器,它通过压电驱动器自适应控制桨叶根部的结构阻抗,达到振动控制目的。建立了智能弹簧的简化模型,对其谐波响应控制特性进行研究;采用频率分析和数字信号合成技术产生参考信号,在DSP平台上设计自适应陷波算法对智能弹簧驱动器组件进行控制;模拟和风洞实验结果均表明智能弹簧能够在较宽频率范围内对桨叶的谐波响应进行有效控制,验证了通过主动阻抗控制实现直升机桨叶振动控制的可行性。     

应变反馈式压电陶瓷微位移驱动器的研制

介绍了采用应变片测量压电陶瓷微位移驱动器位移的原理和设计思想，介绍了实验装置的结构，给出了实验结果，证明将应变片直接粘贴在压电陶瓷基体表面测量其位移的方法是可行性的；通过对压电陶瓷滞回特性的测定，提出了建立压电陶瓷的控制模型的基本思路。     

大迎角分离流场在等离子体控制下的特性研究

设计了一种新型的大迎角主动流动控制方法。采用圆锥-圆柱组合体模拟飞行器前体,在靠近圆锥尖端处镶嵌了一对马蹄形单电极介质阻挡放电（single_Dielectric Barrier Discharge SDBD）等离子体激励器,通过风洞实验研究了等离子体激励器在不同状态下对大迎角模型前体的非对称气动载荷的控制作用。实验结果表明,通过控制等离子体激励器的开闭可以使得圆锥-圆柱组合体在大迎角下出现的侧力改变方向。还对通过调节单侧等离子体激励器的激励电压实现圆锥前体侧力系数在正负极值间连续变化的可能性进行了初步的实验探索。     

An active damping vibration control system for wind tunnel models

In wind tunnels, long cantilever sting support systems with low structural damping encounter flow separation and turbulence during wind tunnel tests, which results in destructive low-frequency and big-amplitude resonance, leading to data quality degradation and test envelope limitation. To ensure planed test envelope and obtain high-quality data, an active damping vibration control system independent of balance signal based on stackable piezoelectric actuators and velocity feedback using accelerometer, is proposed to improve the support stability and wind tunnel testing safety in transonic wind tunnel. Meanwhile, a design of powerful sting-root embedded active damping device is given and an active vibration control method is presented based on the mechanism analysis of aircraft model vibration. Furthermore, a self-adaptive fuzzy Proportion Differentiation(PD) control model is proposed to realize control parameters adjustment automatically for various testing conditions. Besides, verification tests are performed in laboratory and a continuous transonic wind tunnel. Experimental results indicate that the aircraft model does not vibrate obviously from -4° to 11° at Ma = 0.6, the number of useable angle-of-attack has increased by 7° at Ma = 0.6 and 5° at Ma = 0.7 respectively, satisfying the requirements of practical wind tunnel tests.     

Design and experimental testing of a control system for a morphing wing model actuated with miniature BLDC motors

The paper deals with the design and experimental validation of the actuation mechanism control system for a morphing wing model. The experimental morphable wing model manufactured in this project is a full-size scale wing tip for a real aircraft equipped with an aileron. The morphing actuation of the model is based on a mechanism with four similar in house designed and manufactured actuators, positioned inside the wing on two parallel lines. Each of the four actuators used a BrushLess Direct Current (BLDC) electric motor integrated with a mechanical part performing the conversion of the angular displacements into linear displacements. The following have been chosen as successive steps in the design of the actuator control system: (A) Mathematical and software modelling of the actuator; (B) Design of the control system architecture and tuning using Internal Model Control (IMC) methodology; (C) Numerical simulation of the controlled actuator and its testing on bench and wind tunnel. The morphing wing experimental model is tested both at the laboratory level, with no airflow, to evaluate the components integration and the whole system functioning, but also in the wind tunnel, in the presence of airflow, to evaluate its behavior and the aerodynamic gain.     

中-大迎角下圆锥前体流场的等离子体控制

在圆锥一圆柱组合体圆锥段的尖端区域布置一对单个介质阻挡放电激励器（SDBD）,通过风洞实验对圆锥前体分离涡流场的等离子体控制特性进行了研究。实验风速5m／s,迎角为25°和30°,采用表面压力测量技术,并通过对压力的积分得到侧向力系数。实验结果表明：通过控制激励器的开、关可以改变圆锥两侧压力分布不对称的模式,从而使得侧向力的大小和方向发生改变。研究表明：等离子体激励器可以对非双稳态下的圆锥前体分离涡流场进行有效的控制。     

FLUTTER SUPPRESSION USING DISTRIBUTED PIEZOELECTRIC ACTUATORS

The Flutter suppression using distributed piezoelectric actuators has been analyzed and tested. In constructing the finite element equation, effects of piezoelectric matrices are investigated. LQG method is used in designing the control law. In reducing the order of the control law, both balance realization and LK methods are used. For the rational approximation of the unsteady aerodynamic forces LS method is improved. In determining the piezoelectric constants d31 a new dynamic response method is developed. Laser vibrameter is used to pick up the model response and in ground resonance test the model is excited by piezoelectric actuators. Reasonable agreement of the wind tunnel flutter suppression test with calculated results is obtained.     

Turbulent boundary layer separation control using plasma actuator at Reynolds number 2000000

An experimental investigation was conducted to evaluate the effect of symmetrical plasma actuators on turbulent boundary layer separation control at high Reynolds number. Compared with the traditional control method of plasma actuator, the whole test model was made of aluminum and acted as a covered electrode of the symmetrical plasma actuator. The experimental study of plasma actuators' effect on surrounding air, a canonical zero-pressure gradient turbulent boundary, was carried out using particle image velocimetry(PIV) and laser Doppler velocimetry(LDV) in the 0.75 m × 0.75 m low speed wind tunnel to reveal the symmetrical plasma actuator characterization in an external flow. A half model of wing-body configuration was experimentally investigated in the  3.2 m low speed wind tunnel with a six-component strain gauge balance and PIV. The results show that the turbulent boundary layer separation of wing can be obviously suppressed and the maximum lift coefficient is improved at high Reynolds number with the symmetrical plasma actuator. It turns out that the maximum lift coefficient increased by approximately 8.98% and the stall angle of attack was delayed by approximately 2° at Reynolds number2 ×10~6. The effective mechanism for the turbulent separation control by the symmetrical plasma actuators is to induce the vortex near the wing surface which could create the relatively largescale disturbance and promote momentum mixing between low speed flow and main flow regions.     

共轴式双旋翼尾迹形态的水洞实验研究

通过对单旋翼和共轴式双旋翼在水洞中的对比实验，研究了在悬停和以不同速度前飞时，共轴式双旋翼和单旋翼尾迹形态的共性与区别，着重研究了在不同前进比时共轴式双旋翼尾迹边界的形态。实验结果表明，水洞实验所得到的旋翼尾迹形态与在空气中实验所得的结果相吻合，水洞实验能真实的反映直升机旋翼尾迹的实际情况，并且具有显示清晰和稳定性好的优点。     

建筑物对污染物扩散影响的数值与风洞模拟研究

采用k-ε（RNG）与RSM湍流模型对处于方形建筑物不同位置污染源所排放污染物的扩散规律以及建筑物对流场的影响进行模拟,并且与相应的风洞试验结果进行了比较。流场分析结果表明：数值模拟能够较好地模拟建筑物前方迎风侧停滞回流、顶部回流以及后方空腔区等。浓度场分析结果表明：建筑物前方迎风侧以及顶部回流区污染物扩散的数值模拟结果与风洞试验结果基本相等,而在建筑物后方空腔区污染物的数值模拟结果略高于风洞试验结果。综合分析并与风洞试验结果相比较,RSM模型能够较好地模拟污染物浓度场以及建筑物周围流场的变化规律。     

现代试验设计方法在高速风洞试验中的应用

为了验证现代试验设计(MDOE)方法在高速风洞试验中应用的可行性,进一步提高风洞试验效率,采用区组化的回归组合设计进行了某运输类飞机亚声速基本纵向常规测力风洞试验,通过少量关键控制点数据建立了气动力参数随马赫数和迎角变化的二阶响应面模型,并进行了方差分析及显著性检验。同时,通过额外增加的试验点检验响应面模型的精准度。试验及分析结果表明:通过回归组合设计少量试验点建立的纵向气动力系数响应面模型预测误差满足高速风洞飞机模型测力试验精度指标要求,方差分析(ANOVA)及显著性检验结果正确反映了迎角、马赫数对飞行器基本气动特性的影响规律,突显出MDOE方法应用于风洞试验方案设计及数据分析的显著优势。     

2m×2m超声速风洞全挠性壁喷管气动设计及动态调试结果分析

中国空气动力研究与发展中心自行设计的2m×2m超声速风洞于2010年底建成,它是一座直流、暂冲式风洞,采用了全挠性壁喷管技术。喷管总长18m,具有马赫数1.5～4.0的十多个型面,每个型面通过24对撑杆的伸缩实施成型。该喷管的气动设计采用了具有连续曲率的Sivells设计方法,并用Maxwell方法对其进行了边界层修正。该喷管采用实验影响法进行了喷管型面的动态调试,个别型面还采用了二次修正。调试结果显示,在各设计马赫数下,试验段模型区流场指标均优于GJB先进指标,表明该喷管的气动设计是成功的。