Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft

Electromechanical actuators (EMAs) are becoming increasingly attractive in the field of more electric aircraft because of their outstanding benefits, which include reduced fuel burn and maintenance cost, enhanced system flexibility, and improved management of fault detection and isolation. However, electromechanical actuation raises specific issues when being used for safety-critical aerospace applications like flight controls: huge reflected inertia to load, jamming-type failure, and increase of backlash with service due to wear and local dissipation of heat losses for thermal balance. This study proposes an incremental approach for virtual prototyping of EMAs. It is driven by a model-based system engineering process in order to enable simulation-aided design. Best practices supported by Bond graph formalism are suggested to develop a model’s structure efficiently and to make the model ready for use (or extension) by addressing the above mentioned issues. Physical effects are progressively introduced, and the realism of lumped-parameter models is increased step-by-step. In particular, multi-level component models are architected to ensure continuity between engineering activities. The models are implemented in the AMESim simulation environment, and simulation responses are given to illustrate how they can be used for preliminary sizing, control design, thermal balance verification, and faults to failure analysis. The proposed best practices intend to provide engineers with fast, reusable, and efficient means to assess performance virtually and enhance maturity, performance, and robustness.     

展向离散抽吸法控制边界层转捩实验研究

通过实验成功发展了一种生成大振幅稳定条带的有效方法,即展向离散抽吸方法。在此基础上,开展条带控制边界层转捩的研究。实验在水洞中进行,以零压力梯度平板边界层为研究对象,利用氢气泡时间线法观测引入条带前后人工激发转捩边界层中扰动发展变化,分析条带对转捩的控制效果及参数影响。结果表明,展向离散抽吸方法生成的稳定条带最大振幅可达28.4%U（U为自由流速度）;实验中引入的宽度14和28mm的稳定条带都能起到抑制转捩的作用;条带振幅越大、宽度越窄,抑制效果越明显。研究结果为探索降低水/空气中航行器摩阻的新技术提供有价值的参考。     

一种模拟视频信号亮度对比度校准方法

本文针对模拟视频信号长距离传输后信号衰减和偏移的问题,提出一种软件自动校准的方法。通过分析源端发送的校准图样,调整视频AD芯片的增益和偏移参数,达到最佳的亮度和对比度校准效果。     

基于多滑模调节器切换的机动飞行边界保护控制

针对飞行器机动过程中关键飞行参数容易超出其边界的问题,研究了基于多滑模调节器的边界保护控制器。利用滑模方法设计多个边界调节器并采用最大/最小逻辑在各调节器之间进行切换。首先对边界约束集的正不变性以及系统最终的收敛性进行了严格的证明,然后通过将系统化为可控标准型,提出了确定系统最终收敛点的直观方法;其次通过引入分段线性滑模和分段二次Lyapunov函数对闭环系统的稳定性进行了分析;然后在此基础上给出了机动边界保护系统控制器的设计步骤;最后通过仿真表明,所设计的控制器能够保证在机动过程中关键飞行参数不越界的同时对输入指令进行很好的跟踪。     

飞机动态推出控制策略仿真优化模型

机场离港运行的无序化造成滑行过程中的长时间排队等待及大量燃油浪费。为了减少燃油消耗和废气排放,在已有的动态推出控制策略基础上提出了阶梯函数控制策略(Step function,SPC)和非线性函数动态推出策略(Nonlinear function,NPC)的一般形式,以离港成本为目标,建立了基于停机位等待惩罚的动态推出控制模型,在不延误的前提下提出了一种基于网格参数优化的蒙特卡洛仿真优化算法。通过北京首都机场实际运行数据对推出过程进行仿真计算,并与无控制策略以及传统N-control策略的最优可达解进行仿真对比,结果表明:在不延误的前提下,提出的推出策略可以更加有效地降低平均滑行道滑行时间,NPC策略的离港运行成本和燃油成本可降低45.52%和54.23%,SPC虽然成本节省劣于NPC策略,但是其简单的操作方式可以为离港推出调度方式的改进提供决策支持。     

空间绳系组合体拖曳动力学分析及振动控制

空间绳系捕获系统捕获目标物后的组合体在拖曳离轨过程中常产生振动，为此，建立了切向连续推力作用下的空间拖曳绳系组合体面内动力学模型，并对模型进行了横向摆动与纵向振动耦合分析。针对组合体的纵向振动问题提出了一种以张力控制为内环、速度控制为外环的双闭环振动控制策略。进行了振动控制仿真分析，并根据动力学的相似性，建立地面模拟实验系统，仿真与实验结果表明该控制策略可迅速抑制组合体纵向振动、减小系绳冲击并可避免出现系绳松弛现象。     

主辅拦截器协同制导方法研究

随着现代导弹技术的发展,导弹的突防能力越来越强,对导弹的防御难度也逐渐增大。为增强拦截器的杀伤力并降低成本,可利用主辅拦截器协同制导对目标进行拦截。建立了拦截器与目标的相对运动模型,通过对运动方程进行线性化分析,发现协同制导问题实质为具有终端时间限制条件的导引问题,该问题可转化为线性化系统的最优控制问题。利用最优控制中的极小值原理设计了时间协同制导律。仿真结果表明:该制导律可实现多枚拦截器在同一时刻拦截目标的协同制导要求。     

航天器姿态预设性能控制方法综述

针对存在不确定惯量矩阵及其它未知不确定性(如执行器故障、航天器结构发生突变等)下的航天器姿态控制问题，综述了预设性能控制及其应用的研究进展。首先阐释了预设性能控制方法的基本内涵及其关键步骤；然后分析总结了现有航天器姿态控制以及预设性能控制研究的基本概况与发展趋势；最后面向未来复杂化、智能化的空间任务对航天器控制系统提出的新需求，提出航天器预设性能控制值得研究的问题和方向。     

变体辅助的无人机栖落机动模糊控制设计

无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）的栖落机动是一种大幅度的俯仰运动，易引起升降舵操纵力矩饱和。本文以变体方式增强无人机的俯仰操纵能力，并研究其对应的控制设计方法。首先对栖落机动建立了纵向动力学模型，并通过采用轨迹线性化和张量积变换方法转换得到T-S模糊模型。基于Lyapunov稳定理论和平方和方法，设计了满足控制输入约束的栖落机动多项式模糊控制器。对非变体与变体下的栖落机动控制过程进行了仿真，结果验证了控制律的有效性，并且表明变体辅助的无人机具有更强的操纵性能，能提高栖落机动中升降舵的抗饱和能力。     

GNSS观测数据ZTD建模的质量控制方法

针对目前基于GNSS观测数据的对流层天顶总延迟(ZTD)模型缺乏有效质量控制手段的现状,提出了一套综合考虑数据量、网格分辨率以及模型稳定性的ZTD建模质量控制方法,并采用内华达大地测量实验室(NGL)解算的高空间分辨率GNSS对流层数据,选取了近十年德国及周边区域[47°N-55°N,5°E-15°E]183个测站的实测ZTD,对该方法进行了校验。实验结果表明:在该质量控制方法下建立的新模型精度稳定,平均均方根误差(RMS)为3.4 cm,相对于UNB3m、EGNOS、GPT2w+Saas平均改善了42.4%、35.8%、33.3%。本文提出的质量控制方法有效提升了基于GNSS观测数据的ZTD模型的性能,对于ZTD建模研究具有一定的参考价值。