气动弹性力学的新分支——气动伺服弹性

根据国外报道及北京航空航天大学的研究近况，综述了气动伺服弹性分支中的动态，对其中的主要问题，诸如建模，分析与综合，控制律降阶，鲁棒稳定性，结构／控制一体化设计及风洞实验均作了介绍。     

考虑舵机时滞的阵风减缓主动控制律设计

针对存在舵机时滞环节的气动伺服弹性系统，提出基于Padé近似和线性二次高斯（LQG）控制的阵风减缓主动控制律设计方法。利用Padé近似将舵机中的时滞环节线性化为一个高阶传递函数并引入气动弹性模型，建立线性的阵风减缓受控模型；利用LQG控制方法对线性化模型设计阵风减缓主动控制系统，并采用平衡截断法对所设计的控制系统进行降阶；利用Simulink将所设计的控制系统引入非线性模型中，得到von Karman连续阵风激励情况下系统的开/闭环响应情况。计算结果表明:根据所提方法设计的阵风减缓主动控制律能有效降低原气动伺服弹性系统的阵风响应，对研究对象机身过载的抑制在15%左右，而对翼根弯矩的抑制达到25%以上。      

飞机的气动伺服弹性横侧向风洞试验研究

通过飞机模型的气动伺服弹性横侧向风洞试验验证飞机气动伺服弹性稳定性,及稳定裕度分析方法的可靠性.对试验模型,试验子系统,实现试验的方法及试验结果进行了讨论.在模型试验技术上,如模型的支持系统,有关控制律的相似方法,液压控制系统,试验的计算机控制等都作了详细的论述.试验的结果可应用于飞机工程实际,它表明目前的气动伺服弹性分析方法是可信的,并将在进一步研究中改进.      

非线性结构气动伺服弹性稳定性分析

真实的气动伺服弹性系统通常都含有各种非线性因素,它们会对系统的特性带来不可忽略的影响.为此采用一种频域方法对带有间隙的非线性结构进行气动伺服弹性稳定性分析.在气动伺服弹性运动方程中,非线性的结构刚度通过描述函数法转化为准线性的等效刚度,然后采用线性控制理论中的Nyquist方法来判断气动伺服弹性系统的稳定性并计算稳定裕度.以某一飞机的带有扑动和旋转间隙的受控翼面为例进行了数值计算.结果表明,旋转间隙对系统的稳定性影响是主要的;旋转间隙越大,系统稳定裕度越小.      

导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性分析

弹性飞行器可能由于结构、气动及控制的不利耦合引发气动伺服弹性失稳,为此分析了带有差动舵面及控制系统的细长体导弹滚转通道气动伺服弹性稳定性.导弹的广义非定常气动力采用气动导数方法计算,动力学方程考虑了弹体的刚体滚转运动和一阶弹性扭转振动.由导弹动力学方程求解得到滚转通道的开环传递函数,并应用Nyquist方法进行闭环系统稳定性分析.算例表明,若控制系统设计不当,系统有可能在弹性振动频率处发生气动伺服弹性失稳.      

一种新的气动伺服弹性失稳模式的机理分析

某超声速导弹在飞行试验中发生了气动伺服弹性失稳导致的结构解体,通过对飞行试验数据的分析发现,气动伺服弹性失稳的振动频率高于弹体一阶弯曲模态频率,对导弹进行气动伺服弹性稳定性频域分析,并未发现该频率段发生气动伺服弹性失稳。针对该问题,建立了一种可以考虑数字式飞控系统采样过程影响的气动伺服弹性稳定性仿真分析方法,并对该导弹进行了建模分析,数值结果复现了该导弹的失稳现象。讨论了这一新型失稳现象发生的原因,包括连续结构滤波器离散化带来的移频现象和频率混叠问题。给出了对应的改进措施和相关的结论。      

类IXV飞行器初期再入制导与姿态控制方法研究

摘要： 针对类IXV飞行器无翼式升力体构型及采用RCS/尾襟翼组合控制特点，研究其初期再入段的高精度制导与姿态控制方法.设计带过程约束的数值预测 校正制导律以提高制导系统的鲁棒性及精确性；根据其执行机构配置特点，设计基于RCS的航向控制律及基于RCS/气动舵的纵、横向复合控制律，并采用鲁棒伺服LQR技术进行控制参数快速设计.通过蒙特卡洛打靶仿真来验证算法的精度及鲁棒性.     

基于自适应高阶滑模的直气复合控制律设计

对直接力/气动力复合控制导弹控制律设计问题做出了研究.建立了俯仰平面内姿态控制系统的数学模型，应用非线性理论分析模型，基于分析简化模型，建立了用于控制律设计的简化模型.利用自适应高阶滑模进行了虚拟控制量设计，考虑气动舵舵偏以及舵偏角速度的约束以及脉冲发动机的特点，建立二次规划最优化问题.利用有效集法实时分配虚拟控制量，获得气动舵以及脉冲发动机控制量.进行数字仿真验证控制律有效性，所设计控制律适应气动舵以及脉冲发动机特点，能对过载指令进行快速跟踪.     

多变量气动伺服弹性系统的鲁棒稳定性研究

根据现代控制理论,对多输入-多输出气动伺服弹性系统的鲁棒稳定性进行研究.分别采用小增益原理和最小奇异值理论两种方法,对涉及飞行器互相耦合的横滚和偏航回路的控制系统进行分析,得出了气动伺服弹性系统抵抗建模误差、保持鲁棒稳定的范围.这两种方法都分别给出了稳定性判据,根据判据可以确定其鲁棒稳定性(或稳定裕度).作为系统扰动的表达形式,文中还对系统不确定性矩阵进行了描述.算例是在某ACT战斗机的计算模型上完成的,两种方法的计算结果取得了一致.      

弹性导弹的连续与离散阵风响应

导弹在空中飞行时会受到阵风的干扰,过大幅值的阵风响应可能影响结构安全 、飞行性能及攻击精度.为此,基于导弹刚体/弹性耦合运动方程和准定常气动力,建立了导 弹气动伺服弹性系统的连续与离散阵风响应分析方法.对于连续阵风,通过频率响应函数来 计算响应的功率谱密度;对于离散阵风,则在状态空间方程的基础上时间积分求得响应历程 .以某导弹为例,进行了气动伺服弹性稳定性分析、连续和离散阵风响应分析,并提出了飞 行控制系统的改进设计.数值结果表明,结构与控制之间的不利耦合可能使系统的稳定性和 阵风响应特性恶化,在控制回路中增加合适的结构陷波器可有效减小弹性模态的不利影响.      

推力矢量防空导弹伺服弹性的抑制

大长径比,低弹性频率的推力矢量控制导弹,由于其喷管摆动形成的惯性力对弹性模态产生激振,使弹体控制中存在伺服弹性问题.为了解决该问题,对摆动喷管控制下的弹性弹体模型进行了分析,针对弹性模态对控制系统的影响途径,提出了双传感器布局及测量信号预综合的方法.在此基础上,基于Steiglitz-McBride系统辨识方法,设计一种自适应噪声抑制滤波器对测得信号中的弹性分量进行处理,取得导弹刚体运动的有用信号.仿真证明该方法有效提高了控制系统对弹体弹性特征变化的适应性.双传感器的使用也增加了测量及滤波系统的可靠性.     

采用退步方法设计的航天器姿态倾斜机动控制

采用退步控制方法设计航天器姿态倾斜机动控制律.中间控制律采用了微分方程的形式,避免了传统退步控制方法中,对中间控制律进行的解析求导.在此基础上,采用了2种方法通过推迟控制力矩峰值出现的时间来减低对执行机构输出控制力矩最大值的要求: ①改变中间控制律的积分初值;②采用跟踪性能相对较差的角速度控制律.尽管第2种方法的控制律的稳定性取决于控制器的参数,但可明确限定控制力矩的最大值.仿真结果证实了所提出控制律的有效性.      

非合作目标的自主接近控制律研究

主要研究了针对非合作航天器的自主交会和拦截两种接近模式的控制律。根据非线性相对运动方程,采用李雅普诺夫(Lyapunov)方法设计了自主交会的控制律;并对该控制律进行了改进,使其适用于拦截模式,能以一定的相对速度接近目标。同时针对非合作目标存在机动的情况,采用Lyapunov最小-最大方法设计了自主接近的控制律。仿真结果证明了基于Lyapunov方法的自主接近控制律的有效性。     

仿射非线性系统的二阶滑模控制律研究

分析现有滑模控制算法特别是二阶滑模控制算法在抑制抖动和鲁棒性等方面所存在的问题,以仿射非线性系统为对象,针对近似时间最优的二阶滑模控制律收敛速度慢和抖振较大的问题,提出改进控制算法,通过设计适当的约束条件和修正滑模趋近加速度,提高了二阶滑模的响应速度,并在不损失鲁棒性的前提下削弱了抖振的频率和幅度.以单摆模型为例,分别对该算法和二阶Lyapunov函数法以及一阶指数趋近法进行仿真研究,仿真结果表明该算法适用于具有不确定性的非线性系统,并在削抖和快速响应方面具有相对优势.     

可变绳长绳系卫星系统的一种简单张力控制策略

为了简化绳系卫星系统(TSS)的控制,对已有的设计方法进行了改进,提出了一种新的控制律设计方法。根据TSS的动力学方程构造线性自治系统,对释放、滞留和回收过程做统一处理,由线性自治系统的稳定理论导出线性反馈控制律,并对控制参数的取值进行了讨论;然后针对回收过程,通过设计平衡点参数得到了一种分段回收控制方案。仿真算例表明,文中采用的设计方法对于圆轨道和近圆轨道TSS的释放、滞留和回收过程都有较好的适应性。     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

转动惯量存在不确定性的挠性航天器动态自适应滑模姿态控制

针对存在转动惯量不确定性和外部干扰的挠性航天器,首先构造了一个部分状态观测器估计挠性模态,然后设计自适应律对转动惯量不确定性和外部干扰组成的函数的上界进行估计。最后,在设计的观测器和自适应律的基础上,建立了挠性航天器的基于部分状态观测器的自适应滑模姿态稳定控制律。采用Lyapunov方法证明了在挠性航天器存在转动惯量不确定性和外部干扰时, 所设计的自适应滑模姿态控制律能使闭环航天器姿态系统稳定。最后, 通过数值仿真例子验证了所提出方法的有效性。