压电驱动机构在直升机ACF智能旋翼上的应用

直升机的主动控制襟翼（ACF）型智能旋翼技术通过驱动机构带动旋翼后缘襟翼局部高频偏转，产生反相高阶气动载荷来抵消或降低旋翼高阶振动载荷，达到降低旋翼振动的目的,是直升机旋翼动力学领域发展的最新趋势之一。本文围绕使用压电材料驱动的后缘襟翼驱动机构，系统梳理了国内外各类驱动机构构型的发展历程和验证现状，对几种典型构型驱动机构的力学输出特性进行了对比分析，阐述了国内外技术差距并指出国内当前研究面临的几个主要问题，为后续国内压电驱动机构的选型、可靠性设计以及性能优化等提供参考。     

直升机桨叶连续后缘襟翼设计与气动影响分析

在直升机旋翼减振应用中,连续后缘襟翼和常规分离式襟翼相比具有重量轻、结构紧凑、气流平稳等优点。选用压电纤维复合材料作为驱动材料,基于NACA23012翼型设计带有连续变形后缘襟翼的桨叶段,对襟翼及其驱动结构进行选材设计分析;采用流固耦合方法分析连续后缘襟翼对剖面翼型气动特性的影响。结果表明:连续后缘襟翼在直升机桨叶工作迎角、马赫数范围内可实现有效偏转,显著改变翼剖面气动升力和力矩,证明了连续后缘襟翼在旋翼减振控制中的潜在应用价值。     

高频角振动转台控制系统设计与仿真分析

本文针对某高频角振动转台在200Hz频率正弦激励下实现波形失真度小于2%的要求,对基于直流无刷电机的高频角振动转台控制系统进行了设计,并在Matlab/Simulink中进行了基于PD控制/重复控制的复合控制策略的控制系统建模、仿真与分析。     

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。     

异形腔体压电声衬声学性能

为提高压电声衬对低频噪声的抑制范围,对声衬腔体进行结构优化。利用平面波理论构建了两种曲线管道的声学物理模型,并分别建立了两种模型的传递矩阵,以此作为异形腔体亥姆霍兹共振器传递损失计算的理论依据,并通过仿真验证其正确性。结合压电振子的形变对声衬进行有限元仿真分析,结果表明:在压电振子施加500V驱动电压时,两种声衬频率偏移量分别为115Hz和120Hz。与圆柱形腔体声衬进行对比结果表明:在相同腔体厚度范围内,由曲率越大的曲线所生成的腔体,在相同驱动电压条件下,频率变化率越高,这为今后对声衬腔体结构优化提供一种有效的依据。      

民用飞机后缘襟翼机构设计仿真计算研究

研究了民用飞机后缘襟翼运动机构,并对几种常见的机构形式进行了对比分析。重点研究连杆滑轨机构,它具有驱动力矩小和襟翼扭转力矩小的特点,并且在飞机起飞时襟翼偏角小,同时有较大的富勒运动。根据连杆滑轨机构的特点和机构学理论,建立数学仿真计算模型,并用C++编写了计算仿真软件。文中针对某飞机后缘襟翼参数,通过计算仿真软件计算出襟翼偏角与富勒运动量、缝隙之间的关系以及驱动角与襟翼偏角、富勒运动量、缝隙之间的关系,取得良好结果,证明了该方法的可行性。     

后缘襟翼型智能旋翼驱动力臂的设计方法

为使后缘襟翼型智能旋翼达到最佳的减振效果,本文建立了两种模型方法对智能旋翼驱动机构的关键设计参数——驱动力臂进行了探讨。一方面基于CFD、CAMRADⅡ和ABAQUS联合仿真的方法,建立了机电耦合多体系统有限元模型;另一方面基于襟翼变形前后的几何关系分析,建立了更为简化的几何模型。最后通过对智能旋翼桨叶的驱动性能静态试验来验证模型。测试结果表明,有限元仿真结果与试验结果一致,几何模型与有限元模型得到的襟翼最大偏角的误差不超过6%。因此,本文所建立的有限元模型分析法和几何模型分析法可以为后缘襟翼型智能旋翼结构详细设计和初步设计中驱动力臂的参数选择提供有效参考。     

利用压电传感器/驱动器的柔性结构主动振动控制研究

 以粘贴有压电传感器/驱动器的柔性梁主动振动控制为例，论述了进行柔性结构传感器/驱动器及控制系统一体化研究的方法。给出了压电传感器的检测方程和驱动器的的驱动方程，以玻璃钢材料的柔性梁为实验对象，并采用自适应滤波技术来实现主动振动控制，控制系统有TMS320C25及486计算机组成的主从机系统来实现，实验结果表明此种控制方法是有效的。     

压电纤维复合材料铺层用于翼面设计的驱动特性与刚度影响

压电纤维复合材料驱动器在形状控制、振动控制、颤振抑制与抖振控制等方面有广泛的应用前景。首先简单介绍了压电应变驱动的比拟载荷方法,并采用该方法讨论了压电陶瓷片状驱动器与压电纤维复合材料驱动器在驱动特性上的主要差异。在此基础上,对压电纤维复合材料在不同铺设方式、铺设角度与铺设层数下的驱动特性进行了分析,在刚度影响方面展示了不同铺设角度下模型刚轴的移动。分析结果表明:对称铺设反向电场可以同时获得弯曲与扭转变形,而反对称铺设同向电场主要获得扭转变形;两种铺设方式下45°铺设角均获得最大弦向转角,而0°铺设角将获得最大挠度;多铺层可以增加驱动载荷,但总体变形效果还取决于结构系统的刚度比例;对称铺设方式下铺设角对结构刚轴移动的影响非常明显,在气动弹性控制中应着重关注。     

智能结构模糊振动控制的在环仿真

提出了采用压电材料作为传感器和驱动器,基于模糊逻辑的柔性结构主动振动控制方法,并在嵌入式微处理器上实现模糊控制策略.柔性智能梁结构为例,以单片机为控制器,采用数值方法在计算机上模拟柔性结构模型,利用计算机与单片机的串行通讯技术实现了梁结构振动控制的硬件在环仿真,并编制出良好的人机界面和硬件接口程序.仿真结果表明本文提出的模糊控制方法能够很好的实现对智能梁结构的振动抑制.     

Experimental research of active vibration and noise control of electrically controlled rotor

Electrically Controlled Rotor (ECR), also called as swashplateless rotor, applies blade pitch inputs via trailing-edge flaps system instead of traditional swashplate mechanism. In addition to primary control, rotor vibration reduction and noise alleviation are also achievable via applying higher harmonic control inputs with the trailing-edge flaps. In this paper, the feasibility of ECR to reduce vibration and noise actively is verified experimentally. Firstly, the test scheme of ECR active vibration and noise control is proposed, and the ECR test platform is modified according to the test scheme. Then, an adaptive control algorithm based on Kalman filter is developed. Lastly, hover and wind tunnel tests is performed to verify the feasibility of ECR active vibration and noise control. The results demonstrate that the ECR are effective for reducing rotor vibration and noise simultaneously. In the hover condition, the ECR can reduce the in-plane hub vibration by 42% and the in-plane noise by 4 dB. In wind tunnel condition, ECR can reduce the hub vibration by 75% and the BVI noise by 3 dB.     

压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性自适应混合补偿控制方法

压电陶瓷叠层作动器的迟滞蠕变非线性特性严重影响了控制系统的稳定性及动态跟踪精度。针对其迟滞蠕变非线性补偿控制问题,提出了一种高精度动态补偿压电陶瓷叠层作动器非线性特性的自适应混合补偿控制方法,即迟滞蠕变前馈补偿与自适应滤波反馈补偿结合的前馈-反馈混合控制方法。采用改进的Prandtl-Ishlinskii（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型对压电陶瓷叠层作动器迟滞蠕变非线性特性进行精细化建模,并得到其逆补偿模型进行前馈补偿。根据前馈补偿误差,采用自适应滤波反馈控制对输入信号进行实时调控,实现对压电陶瓷叠层作动器的迟滞非线性及lg（t）型蠕变特性的实时精确补偿控制。数值仿真与实验结果表明,相比于常规前馈迟滞蠕变补偿,所提出的自适应混合补偿控制方法可以有效降低压电陶瓷叠层作动器的迟滞补偿误差,极大提高了迟滞蠕变非线性动态跟踪精度以及自适应性。     

Experimental study on transfer functions of an active rotor under different flight conditions

Vibrations impose negative impacts on the effectiveness and public acceptance of helicopters. Active rotors with trailing-edge flaps have been proved to be an effective way to actively eliminate helicopter vibrations. For the existing control algorithm based on offline system identification, the transfer functions of an active rotor under different flight conditions are pre-requisites to implement closed-loop vibration control. In this study, a three-bladed active rotor with improved trailing-edge flaps is designed, and wind-tunnel tests are conducted to identify the transfer functions of this active rotor using frequency sweep and phase sweep methods. The experimental results demonstrate that these transfer functions are insensitive to the variation of flight speeds: the amplitude of the transfer function varies slightly, while the phase delay almost remains unchanged. In addition, this finding is validated through closed-loop vibration control tests with the active rotor. The transfer function obtained from the hover test results is also applicable to closed-loop vibration control tests under the forward flight conditions. This will dramatically simplify the implementation and operation of an active rotor.     

垂尾抖振主动控制的压电作动器布局优化

为了提高压电作动器垂尾抖振主动控制系统的控制性能,提出一种基于输出可控性的压电作动器优化准则。使用压电驱动载荷等效方法建立压电纤维复合材料（MFC）压电作动器力学模型,并建立了带MFC压电作动器垂尾结构模型的动力学方程。在模态可控性和模态价值理论的基础上,提出考虑剩余模态影响的压电作动器优化目标函数。针对垂尾结构的前5阶模态使用遗传算法优化得到压电作动器的布局方案,使用线性二次高斯（LQG）最优控制方法控制垂尾的抖振响应。仿真结果表明,本文优化得到的布局方案比用其他方法能更好地均衡系统的模态可控性,减小剩余模态的影响,获得更好的垂尾抖振响应控制。     

Optimal positioning of piezoelectric actuators on a smart fin using bio-inspired algorithms

In this paper a novel approach is developed for optimization of piezoelectric actuators in vibration suppression. A scaled model of a vertical tail of F/A-18 is developed in which piezoelectric actuators are bounded to the surface. The frequency response function (FRF) of the system is then recorded and maximization of the FRF peaks is considered as the objective function of the optimization algorithm to enhance the actuator authority on the mode, which assigns the optimal placement of the pair of piezoelectric actuators on the smart fin. Six multi-layer perceptron neural networks are employed to perform surface fitting to the discrete data generated by the finite element method (FEM). Invasive weed optimization (IWO), a novel numerical stochastic optimization algorithm, is then employed to maximize the FRF peak which in due reduces the vibration of the smart fin. Results indicated an accurate surface fitting for the FRF peak data as well as the optimal placement of the piezoelectric actuators for vibration suppression.     

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。     

Closed-loop dynamic control allocation for aircraft with multiple actuators

A closed-loop control allocation method is proposed for a class of aircraft with multiple actuators. Nonlinear dynamic inversion is used to design the baseline attitude controller and derive the desired moment increment. And a feedback loop for the moment increment produced by the deflections of actuators is added to the angular rate loop, then the error between the desired and actual moment increment is the input of the dynamic control allocation. Subsequently, the stability of the closed-loop dynamic control allocation system is analyzed in detail. Especially, the closedloop system stability is also analyzed in the presence of two types of actuator failures: loss of effectiveness and lock-in-place actuator failures, where a fault detection subsystem to identify the actuator failures is absent. Finally, the proposed method is applied to a canard rotor/wing (CRW) aircraft model in fixed-wing mode, which has multiple actuators for flight control. The nonlinear simulation demonstrates that this method can guarantee the stability and tracking performance whether the actuators are healthy or fail.     

直升机振动主动控制的机身/压电叠层作动器耦合优化法

直升机振动主动控制通常使用惯性作动器,一般惯性作动器的附加重量要占到机体重量的4％～5％才有较好的控制效果.压电叠层作动器(PSA)作为轻质、高效的执行元件用于直升机振动主动控制可有效地降低附加重量、提高控制性能.本文将压电叠层作动器用于直升机振动主动控制,并提出了机身/压电叠层作动器耦合优化法.采用基于频率响应函数的...     

多片后缘小翼对直升机旋翼桨叶动态失速及桨毂振动载荷的控制

 减缓直升机后行桨叶动态失速发生、降低直升机桨毂振动载荷是提高直升机飞行速度、改进直升机飞行性能的重要途径。本文研究了直升机在高速高载情况下利用多片受控的桨叶后缘小翼对直升机的后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷同时进行控制的有效方法。建立了弹性桨叶和后缘刚性小翼的结构动力学模型。桨叶剖面气动载荷采用Leishman-Beddoes 二维非定常动态失速模型计算,后缘小翼剖面气动载荷采用Hariharan-Leishman二维亚声速非定常气动模型计算。采用伽辽金和数值积分相结合的方法求解旋翼系统的气弹响应。建立了有效的多片后缘小翼控制策略和控制方法,分析了3片后缘小翼的运动规律及对后行桨叶动态失速和桨毂振动载荷的控制效果,结果表明利用多片小翼的运动是控制桨叶动态失速和桨毂振动载荷的有效方法。