基于传递函数特征的机械结构故障诊断方法新进展

故障诊断对估计机械结构的健康状态非常重要，诊断方法一直以来也是研究的热点问题。与其他故障诊断方法相比，基于传递函数的故障诊断方法操作简单，提供的故障特征和指示因子也更加灵敏有效。根据所利用的线性传递函数或非线性传递函数的类型不同、基于传递函数的故障诊断方法目前大概有4类，即一般线性方法、一般非线性方法、基于广义频响函数（GFRF）方法和基于二阶输出频谱（SOOS）方法。本文旨在对各种基于传递函数的故障诊断方法研究进展进行梳理，通过带阻尼弹簧单元的多自由度模型解释各种方法的基本原理和操作流程，通过具体的仿卫星结构中螺栓松动故障实验比较各种方法的优缺点，探讨现有故障指示因子灵敏度的提高方式及现有方法在其他复杂机械结构中的运用前景。     

含间隙非线性二元翼段的系统辨识

在实际包含间隙非线性的复杂结构中，由于间隙不易或无法测量，难以建立准确描述结构特性的动力学模型；即使间隙得到准确测量，也难以获得结构的标称线性系统的模态参数。为此，利用条件逆谱法和时域非线性子空间法，通过非线性系统辨识获得间隙非线性系数，同时获得非线性结构的标称线性系统的频响函数。以一个包含间隙非线性的二元翼段为例，通过数值方法模拟该二元翼段的地面振动试验，利用条件逆谱法和时域非线性子空间法开展该结构的非线性系统辨识。结果表明:两种方法均可准确地辨识结构的标称线性系统，条件逆谱法利用光滑函数近似，时域非线性子空间法利用多个分段线性函数重构，辨识得到间隙非线性系数。      

非线性能量阱对飞轮振动抑制效果的实验研究

利用薄片金属梁作为非线性刚度元件，构建一种非线性能量阱。为了验证非线性能量阱对飞轮振动特性的抑制效果，搭建地面飞轮测试系统。分别采用力锤敲击和飞轮以恒定转速运行的方法施加不同载荷，对安装非线性能量阱前后测试系统各典型位置的振动响应进行对比研究。利用实测数据，采用傅里叶变换方法将动态响应信息分别在时间域和频率域内展开。研究表明：力锤敲击产生的冲击载荷和飞轮以恒定转速运行产生的稳态载荷均可以激发非线性能量阱定向能量传输；受非线性能量阱的影响，柔性支架设备安装面和飞轮安装面振动响应得到有效抑制。但是，由于非线性能量阱阻尼和吸振子质量较小，不同程度削弱了其振动抑制效果。     

通信拓扑切换下的多飞行器协同拦截方法

针对通信拓扑切换条件下的多飞行器协同拦截问题，提出了一种基于扩张状态观测器的协同制导方法。建立协同制导设计模型，将协同拦截问题转换为视线稳定条件下的剩余飞行时间调节问题。为解决机动目标状态不确定的问题，将目标的状态视作扰动，设计扩张状态观测器来估计机动目标的状态，并在制导律中对目标的机动进行补偿。利用有限时间一致性理论进行一致性控制协议的设计，实现各飞行器剩余飞行时间的有限时间一致，并利用Lyapunov稳定性理论分析通信拓扑切换情况下闭环系统的有限时间稳定性，给出了系统一致收敛时间。仿真结果表明，在通信拓扑变换的情况下，设计的观测器能够有效估计目标状态，且协同制导律能够满足对剩余飞行时间的控制要求，进而实现协同拦截。     

端部状态对斜置圆柱气动力分布的影响

在有限长度圆柱气动力测试风洞试验中，端部状态的变化对气动力有很大影响。在雷诺数为6.43×104时，通过刚性模型风洞测压试验对3种端部状态下的斜置圆柱气动力特性进行研究，基于平均风压系数沿斜置圆柱的轴向和周向分布规律，分析端部状态对斜置圆柱气动力测试结果的影响。结果表明:斜置圆柱表面风压沿轴向可分为近上游端部区、中间区和近下游端部区；由于马蹄涡的存在，在近上游端部区的背风面，风压沿轴向有一个突变，端部状态对马蹄涡强度有很大影响；在中间区，背风面风压沿轴向出现交替变化，可能是由于在近上游端部区形成的旋涡受到轴向流作用向中间区流动导致的，端部状态对交替风压变化的幅度和阻力系数有很大影响；当下游端部封闭时，近下游端部区的迎风面和背风面风压都会出现突变，且迎风面的突变幅度更大，下游端板对近下游端部区迎风面的风压分布影响更大。     

基于干扰观测器的受扰卫星姿态控制器设计与优化

对复杂环境下的卫星姿态控制进行了研究,针对存在外界干扰和转动惯量不确定的卫星姿态控制,建立了基于误差四元数卫星姿态动力学与运动学方程,在此基础上设计了反演滑模控制器,构造Lyapunov函数并从理论上证明了闭环系统的稳定性;设计非线性干扰观测器(NDO)对等效干扰进行估计,使控制器输出力矩减小,有效降低了输出饱和的风险,同时抑制了滑模控制带来的抖振;为了获得更好的控制效果,以控制器参数为优化变量,综合考虑了控制器的动态性能和被控对象的输入受限条件,建立了评价函数,利用改进的粒子群算法对控制器参数进行优化。仿真结果表明设计的控制器可行且有效,得到了较好的控制效果。     

某型飞机地板网格翻转系统输出接头接触仿真分析

某型飞机地板网格翻转操作平台的一个输出接头通过接触受力的形式传递载荷,该连接形式无法使用常规线弹性静力学求解。由于该接触问题具有普遍性,本文结合相关的接触分析软件,对该结构进行了接触仿真分析,完成了结构的强度校核,提供了一个接触分析通用的解决方案。     

基于未知输入观测器的四旋翼无人机故障诊断与模型参考容错控制

对四旋翼无人机（Unmanned aerial vehicle， UAV）姿态控制系统的执行器故障诊断问题进行了研究，在系统模型方面全面地考虑了模型的非线性和四旋翼无人机在飞行过程中受到外部干扰的情况。由于未知输入观测器可以将干扰、误差等作为未知输入进行处理，对干扰不敏感而对故障比较敏感，故设计了一种新的未知输入观测器进行故障诊断。同时为了保持四旋翼无人机在故障发生后的稳定性或者仍然可以按照预定轨迹运动，在得到准确的故障估计后为四旋翼无人机姿态控制系统设计了模型参考容错控制器，使其可以跟踪给定的参考模型。仿真结果证明了本文提出的故障诊断与容错控制方法的有效性。