非线性刚度对微机械陀螺动态性能的影响*

为了提高微机械陀螺的稳定性,研究自由振动状态下活动基座上L-L型双质量微机械陀螺的动态性能,建立微机械陀螺的数学模型,得到以幅值-相位为变量的运动微分方程的解,并给出这种解与轨道元素的联系。研究框架质量和弹性件非线性刚度对陀螺漂移量的影响,并给出数值例子。对所得到的解析关系式与曲线进行分析,作出关于系统性能的相应结论。     

"嫦娥五号"月球探测器隔热组件高温模拟与控制技术

"嫦娥五号"月球探测器在着陆时要承受相当大的着陆冲击载荷,一般采用大推力器来降低其着陆速度。推力器附近的隔热组件由于受到辐射和羽流的综合影响,其温度会在140 s内达到1000℃左右。文章利用在真空条件下红外加热的方法,采用非线性变增益PID控制器对隔热组件进行温度控制,以模拟发动机工作的温度边界条件。为此,研究了红外灯加热器的动态特性和高精度快速温度控制算法,并在真空容器内搭建高温模拟与控制系统,进行了该模拟方法的试验测试及验证。研究结果表明:对于970℃的目标温度,控制算法使隔热组件温度达到稳定状态的时间为135 s,超调量为0.5℃,在实际试验中取得良好的控制效果。     

多自由度振动环境下惯组非线性传递特性研究

惯组作为飞行器姿控系统的传感器,其局部安装结构的传递特性的测量精度直接关系到导航精度。目前,惯组普遍使用减振器进行隔振,而减振器都呈现出较强的非线性特征。为了考察惯组在不同工况下的传递特性,将惯组简化为六自由度Duffing模型,推导了基础激励下系统的运动微分方程,并用龙格-库塔法对方程进行求解,分析了自由衰减振动和强迫振动下不同工况的系统传递特性。结果表明,多自由度激励比单自由度激励工况得到的系统传递特性的频率和幅值都低。考虑到惯组真实的使用环境,应当在多自由度振动环境下进行传递特性试验。     

电动舵机模块化建模及动刚度仿真

颤振是一种危险的气动弹性失稳形式，舵机动刚度对舵系统的颤振特性具有不可忽视的影响，因此舵机的精确建模与仿真分析十分有必要。针对此问题，提出了一种电动舵机模块化建模方法及动刚度计算机模拟方法。以“直流电机-减速齿轮-滚珠丝杠-拨叉副”典型结构的电动伺服舵机为对象，将其分解为具备核心功能的子模块，充分考虑了实际结构中可能出现的主要非线性因素，再根据子模块之间的连接关系来搭建整体的舵机模型。基于该舵机模型，提出了利用步进正弦扫频信号激励、最小二乘法数据处理得到动刚度的计算方法，并以某舵机为算例，开展了舵机主要线性参数及非线性因素对舵机动刚度影响的研究。电动舵机模块化建模方法通用性好，便于不同舵机的拓展。电机转子阻尼、减速器的传动比以及输出轴处的阻尼对舵机的动刚度影响很大，间隙、接触刚度和摩擦这3类非线性因素对舵机的动刚度特性也具有重要的影响。      

六自由度压电隔振平台面向控制的模态分析与动力学建模

六自由度压电隔振平台各通道之间存在的强耦合性以及压电作动器固有的迟滞非线性都对系统动力学建模提出了挑战。为此，基于模态分析技术对六自由度压电隔振平台开展面向控制的非线性动力学建模研究。在充分考虑压电作动器的迟滞非线性后，采用模态坐标变换方法建立了隔振平台Hammerstein非线性动力学模型，包含了输入端的静态迟滞非线性子系统、解耦的模态方程组以及模态正/反变换矩阵。通过实验测量方法辨识得到模态方程中的参数，采用MPI模型辨识得到静态迟滞非线性子系统，并经过逆补偿控制实验验证了迟滞模型的正确性。基于迟滞逆补偿策略辨识得到模态反变换矩阵。最终建立了平台的动力学模型，为后续的控制奠定了良好的基础。      

应用于控制力矩陀螺电源模块的线性-非线性协同控制器设计

本文对控制力矩陀螺电源的控制器进行研究,基于对线性控制器及非线性控制器的分析,设计了线性-非线性协同控制器并搭建硬件模型,在电源系统动态调整阶段采用非线性控制器,在稳态阶段采用线性控制器。该方案较单一线性控制器提升了电源系统的动态性能,并保证了系统的稳定性及可靠性。对该鲁棒控制器进行了仿真分析并搭建实物,通过实验验证了相较线性控制器,使用协同控制器的电源模块在控制状态切换时,下冲量与调节时间分别减少了45%及58%,证明了该协同控制器能够有效提升CMG电源系统的动态性能。     

带非线性支撑的转子有限元模型求解方法

用数值方法研究了非线性支撑的柔性转子系统的动学行为,提出了一种将有限元与非线性支撑结合的模型和求解方法。利用有限元法(FEM)构建转轴和转盘部分的模型,通过矩阵进行组合;利用离散元方法对包含滚动轴承和挤压油膜阻尼器(SFD)的支撑部分进行建模,此部分包含4个单元,分别为轴承内圈、外圈、SFD内圈和支撑鼠笼。有限元部分和离散元部分通过轴端节点相连,仿真过程中轴端位移传递给非线性支撑部分,支撑部分通过位移计算得到的非线性力反过来作用于有限元转子轴端部分。为了耦合求解有限元转子和非线性支撑组成的数学模型,提出了一种综合的迭代求解方法,克服传统的有限元求解方法对轴端隐性非线性支撑的求解局限性。由于转轴部分采用了Timoshenko梁单元建模,对比与简单转子模型,可以考虑陀螺力矩和轴的柔性特征,更能体现非线性支撑对振动真实影响。在建立的20个轴单元的有限元转子模型中,非线性响应更多体现在靠近非线性支撑的节点1和节点21处,响应频谱中靠近轴端的节点能体现出滚动轴承的2倍和3倍变柔振动频率。     

基于Shupe系数的光纤陀螺光纤环评价方法

针对当前缺乏有效的光纤环温度性能评价方法确保光纤陀螺整表全温精度的问题,搭建了光纤环温度测试系统,提出了一种光纤环评价方法。该方法不但能够评价光纤环的温度性能,而且能够反映陀螺整表的全温精度。根据测试结果,分析了基于Shupe系数的线性误差和线性补偿后的非线性误差。其中,前者代表了光纤环的温度灵敏度,后者代表了光纤环的可补偿程度,两者共同构成了光纤环的评价指标。利用该测试系统测试了数十只同一尺寸的光纤环,非线性误差小于0.022(°)/h,补偿后整表的全温零偏稳定性小于等于0.01(°)/h(-40℃~+60℃,1℃/min),为后续高精度光纤陀螺的生产提供了一定的指导。     

基于遗传算法-序列二次规划的涡扇发动机最低油耗性能寻优控制

航空发动机性能寻优控制可充分挖掘发动机潜力,大幅提升发动机性能。燃油消耗率是发动机的一项重要技术指标,对燃油消耗率进行优化,其经济意义及作战效能十分明显。针对飞机巡航状态下发动机节油特性进行研究,在保证航空发动机推力不变及安全工作(如保证发动机不超温、不超转、不喘振等)的前提下,使燃油消耗率最小。以所建立的双转子混合排气加力式涡扇发动机非线性数学模型为研究对象,提出了一种基于遗传算法-序列二次规划(GA-SQP)混合优化算法,该优化算法充分发挥了遗传算法和序列二次规划算法的优势,同时在一定程度上克服了两者的缺点,利用Matlab对该优化算法进行了仿真分析。在随机选取的10个飞行状态点对航空发动机最低油耗模式性能寻优控制进行研究后发现:基于GA-SQP混合算法的优化控制可平均降低油耗3.61%(采用基于遗传算法的优化控制则为3.68%),基于GA-SQP混合算法的优化控制的平均耗时为基于遗传算法的优化控制的23.4%。仿真结果表明,基于GA-SQP混合算法的优化控制无需人为设置初始解,不仅能达到与基于遗传算法的优化控制基本相同的优化控制效果,同时还可大幅降低计算量,提高了计算效率。     

基于非线性气动力的飞机飞行载荷计算

为了研究气动力非线性对飞机静气动弹性特性及飞行载荷的影响,发展了一种基于非线性气动力的飞机静气弹及飞行载荷计算方法。通过引入CFD计算结果,实现对线性方法中的气动力影响系数矩阵的非线性修正,采用模态法求解静气弹配平方程得到飞机非线性的气弹变形及飞行载荷。以某翼身组合体构型为计算算例,分别针对刚性模型和柔性模型,基于非线性气动力完成了飞机静气动弹性分析及载荷计算,并与线性结果进行了对比分析。结果表明,非线性方法可对大迎角范围内飞机静气弹变形及飞行载荷做出较合理的预测。