浅析大惯量负载对机电舵系统的影响

随着导弹飞行速度的提高,弹体姿态稳定所需的操纵力矩加大,舵面气动加热效应加剧,舵面的尺寸和惯量势必增加。在电机、传动机构与控制算法确定的前提下,舵面惯量对机电舵系统具有何种影响,成为提高机电舵系统控制要求的关键问题。在搭建的电机—传动机构—负载的三质量模型基础上,从理论及仿真上进行了惯量负载对舵系统的影响分析,并在某机电舵系统上进行了试验验证,为研究大惯量负载机电舵系统提供了理论依据。     

舵面型颤振特性与转换规律特性研究

操纵面颤振是制约飞机性能的关键因素,对颤振设计而言,需要从总体布局、结构刚度、惯性特性等方面入手,综合权衡各种因素.针对某机翼及舵面,建立结构动力学有限元模型,在分析机翼及舵面固有特性与不可压流假设颤振特性基础上,研究带后缘舵面驼峰型颤振与经典弯扭颤振的转换规律,包括操纵刚度、舵面刚度、舵面质量分布等关键因素,总结了设...     

某型炸弹制导化改造舵面及其操纵系统颤振分析

进行伺服系统的刚度试验,获得了舵面操纵系统的刚度;依据试验数据构建了舵机伺服系统及舵面结构有限元模型,并进行了整个系统的固有频率计算;结合固有频率计算结果,利用偶极子网格空气动力模型,进行舵面及操纵系统颤振计算。计算表明,随着海拔高度的升高,舵机及其操纵系统的颤振速度有所提高,颤振频率均为337Hz左右,颤振速度为500m/s左右。     

大惯量下电动伺服机构非线性特性与控制方法研究

针对高超声速飞行器非线性影响飞行姿态控制问题,分析了电动伺服机构中传动间隙、刚度、摩擦力矩等非线性因素的影响,并讨论了由间隙引起极限环的定义及产生条件。针对传动间隙引起的极限环振荡和较大惯量的翼面加剧振荡问题,建立了系统间隙极限环模型和非线性振动模型,并提出了间隙补偿器设计方法。重点研究了间隙、翼面转动惯量、刚度及干扰力对伺服控制系统的影响规律。通过在内环增加间隙补偿器的基础上,在外环引入速度、加速度负反馈设计方法,解决了大惯量舵面下控制系统抖动问题,仿真和试验结果证明了这一理论是正确的。     

亚音速飞行的某型导弹舵面颤振特性研究

颤振特性研究已广泛应用于飞行器设计中。在导弹飞行中,容易发生颤振的部位是舵面与舵机的结合处。使用ANSYS有限元分析软件建立了某型导弹舵面的动力学有限元模型,并应用Block Lanczons求解器对其进行固有模态分析。在导弹亚音速飞行条件下,采用片条理论计算模拟舵面变形诱导的气动力,再将颤振方程转换到以各阶模态振型为基的模态空间上,得到在模态空间下简化的舵面颤振方程。最后应用MATLAB软件编制程序,用V-g法求解舵面颤振方程。对其他战术导弹舵翼面的设计分析具有一定的参考意义。     

亚跨风洞中舵面亚临界颤振试验

设计了舵面颤振试验装置,在亚跨超风洞中对展弦比2．0的NACA0012矩形舵面开展了颤振试验研究。试验马赫数范围为0．3～0．75。试验采用直接观测法获得舵面在不同质量特性条件下的亚声速和接近跨声速的颤振特性。同时还采用亚临界数据分析方法对试验的扭转应变信号进行了离线分析,即通过采用ARMA方法识别扭转应变信号的阻尼和频率,并通过阻尼外插得到颤振临界动压值。研究结果表明：该试验装置可以用于在现有亚跨超风洞中开展舵面颤振问题研究。当采集的亚临界信号为典型指数衰减信号时,以ARMA方法为基础的亚临界颤振试验技术可以稳定地识别出信号阻尼和频率,并较为准确地获得舵面的颤振临界动压、颤振频率等颤振参数。     

副翼偏转角对大展弦比机翼颤振特性的影响研究

以某飞机大展弦比机翼颤振风洞试验模型为例,对副翼偏转角变化导致的颤振问题进行了研究,给出了考虑舵面偏转效应的颤振分析方法,并通过试验加以验证。这些分析结论以及试验结果表明,副翼偏转角的变化在一定程度上会对大展弦比机翼的颤振特性产生重要影响,应当在飞机设计过程中予以考虑。     

头部波系对气动舵颤振特性的影响研究

以分析头部波系对气动舵颤振的影响为目的,采用CFD/CSD耦合算法.在耦合中采用保形动网格策略保持弹身和舵面的几何外形.对单独舵面和舵身组合体计算发现:与单独舵面相比,舵身组合体颤振边界随马赫数升高下降更快;在Ma=7时,单独舵面尚未颤振而组合体中的舵面已颤振.其机理为头部波系对气动舵的影响:马赫数升高,头部圆锥激波内移,膨胀低压区缩小,舵面上激波和外流场的总影响区扩大,气动舵更易颤振.     

基于热/力试验的折叠舵连接刚度与颤振分析

为了适装新型发射平台和进一步提高射程能力,高速飞行器需要采用折叠翼/舵的方案。高速飞行器面临的严酷高温环境和时变气动载荷条件,使折叠舵的结构动力学特性更加复杂,给开展折叠舵极端条件下热气动弹性特性的准确分析带来严峻挑战。本文构建了综合考虑温度、载荷、机构间隙和摩擦特性等因素的折叠机构力学模型,通过非线性有限元分析获得了不同因素影响下的连接刚度,并开展常温和高温试验验证研究。基于固有模态对结构进行降维简化,基于修正的三阶活塞理论建立了气动力模型,采用准定常模型对特定飞行剖面的颤振特性进行评估。基于Abaqus结构模型和STAR-CCM+气动模型,开展了时域响应分析。结果表明：常温和高温条件下,折叠机构转动刚度的计算结果与试验结果整体相对误差小于10%,具有较好的一致性,验证了模型的准确性和可用性;采用CFD与CSD耦合计算方法获得的临界颤振速度低于采用修正的三阶活塞理论结果,CFD/CSD耦合计算方法更加保守。本文建立的方法可为飞行器舵面颤振特性进行有效预示,对新型高速飞行器设计具有重要指导作用。     

飞翼布局特殊舵面建模与颤振分析研究

以多舵面组合下的无尾飞翼布局为基础,建立全机的结构动力学有限元模型,进行固有模态分析。对颤振计算方法进行改进,分析了多舵面下的颤振和振动特性,研究了在机身后缘机翼外侧的副翼改成对开式双舵面后无尾飞翼布局的颤振和振动特性,提出了一种建模和计算的方法。     

基于FPGA的谐波式电动舵机滑模控制研究与应用

根据谐波式电动舵机工作原理,推导了其数学模型;并针对谐波式电动舵机的特殊结构,在建模时充分考虑了摩擦和间隙非线性对舵机系统性能的影响.针对舵系统中存在的非线性问题,提出了一种滑模控制(SMC)算法;进一步为了解决滑模控制固有的抖阵问题,采用边界层与低通滤波器技术共同消除控制量的抖阵,并仿真验证了该算法的有效性.最终,采用数字芯片FP GA实现了该控制算法,并加以实验验证.实验结果表明:与传统比例积分微分(P ID)控制相比,基于滑模变结构控制的电动舵机的抗干扰和鲁棒性等有较大改善;且在偏转小角度时,由摩擦和间隙非线性导致的空回和时间延迟问题也得到了较好的抑制.     

基于滑模变结构和扩张状态观测器的电动舵机复合控制方法

为提高电动舵机伺服系统的鲁棒性,同时解决实际工作中电动舵机不确定负载引起的跟踪精度低的问题,提出了一种采用指数趋近率的滑模变结构控制率结合扩张状态观测器对负载扰动进行实时估计的电动舵机的伺服控制方法,给出了控制器设计方法和试验验证。仿真和试验结果表明,与常规的滑模控制器相比,采用扩张状态观测器的变结构控制能有效提高电动舵机的跟踪性能。     

飞机全电刹车系统机电作动器的研究与设计

针对未来多电飞机发展的关键技术全电刹车系统机电作动器进行了深入的研究和分析。介绍了全电刹车系统的组成结构,建立了全电刹车系统机电作动器、无刷直流电机及全电刹车系统的数学模型。     

电动舵机快速设计技术研究

针对电动舵机常用的几类典型结构,分析了电动舵机组成及设计流程,并对电动舵机各类零件形状特征信息进行分类,得到了尺寸关系模型.采用VB对CATIA软件进行二次开发,建立电动舵机各个典型零件的建模函数,并利用ACCESS建立了电动舵机零件数据库,实现了舵机产品零件的数字化快速设计.     

Electromechanical Actuation Technology for the All-Electric Aircraft

Electromechanical actuation is a critical element that must be developed and verified to make the all-electric aircraft a viable concept. For several years the Flight Control Division of the Air Force Wright Aeronautical Laboratories has sponsored activities to demonstrate the credibility of electromechanical actuation systems (EMAS) for primary flight control actuation functions. The foundation for these EMAS activities and several electromechanical actuation development programs are described here. One involves the design, fabrication, and laboratory test of a rotary, hingeline electromechanical actuator. Another involves the development and flight test demonstration of a linear electromechanical actuator for controlling an aileron of a C-141 aircraft. A third involves the design and development of a linear electromechanical actuator for missiles having severe performance, temperature, and volumetric requirements. In addition, a brief summary of the results from two aircraft actuation trade studies compare the baseline (conventional) hydraulic flight control system with an all-electric airplane concept including quantitative comparisons of weight, reliability and maintainability, and life cycle costs.     

基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器研究

为了便于对介电型EAP驱动器进行优化设计,针对介电型EAP驱动器进行建模是极其重要的.结合弹性大变形理论及Maxwell应力建立介电型EAP材料的机电耦合模型,分析一种可以提高驱动器性能的负刚度预载荷机构,在此基础上建立基于负刚度预载荷机构的锥形介电型EAP驱动器模型.通过对微分代数方程组的求解,分析预载荷机构对驱动器...     

Peculiarities of the control actuator development on the basis of combined electromechanical modules

The peculiarities of developing the control actuators on the basis of combined electromechanical modules are examined. A technique of calculating and designing the power contour of the control actuator for different purposes in the form of electromechanical module, is presented.     

大跨域条件下的自适应滚转稳定容错控制方法

制导弹药在执行大跨域飞行任务时,其滚转扰动系数随速度、高度和攻角高频大幅值非线性变化,对制导弹药滚转通道稳定性造成了恶劣的影响。此外,时间滞后与控制失效等执行机构动力学特性进一步增加了滚转通道稳定性的控制难度。针对上述问题,设计了一种强鲁棒性的自适应滚转稳定容错控制方法。首先,在考虑执行机构失效动力学特性条件下建立了制导弹药滚转通道的数学模型,将系统不确定性和扰动项视为外部扰动,设计一种基于自适应滑模控制理论的强鲁棒滚转稳定控制方法,以补偿非线性变化项及执行机构失效。在此基础上,进一步考虑了执行机构动力学滞后特性,利用反步法设计了一种考虑执行机构动力学的控制方法,以补偿执行机构动力学滞后特性,提高弹体的响应速度。仿真结果表明所设计控制方法对气动扰动有较强鲁棒性以及在故障处理方面的优势。     

Concepts for position and load control for hybrid actuation in primary flight controls

Moving towards the More Electric Aircraft, a hybrid actuator configuration, in which an electromechanical actuator (EMA) and an electrohydraulic servoactuator (EHSA) operate on the same control surface, provides an opportunity to introduce electromechanical actuators into primary flight controls. Besides the operation in active/passive or active/active mode, an “active/no-load” mode is promising. In this mode the EMA is controlled such that it actively follows the movement of the control surface without carrying external air loads, thereby reducing power dissipation compared to active/active mode and failure transients compared to active/passive mode. However, force fighting will occur if both actuators are actively controlled. In this paper, control concepts for a hybrid configuration, extending the original actuator control loops, are presented, enabling active/active as well as active/no-load operation. Nonlinear as well as linear models for an EMA, an EHSA, and a control surface structure are derived from technical data for an airworthy EHSA and combined to a model of the hybrid configuration. These models are used for matching of actuator dynamics and simulation of the developed control laws. For active/active mode, maximum force fighting between the actuators is reduced from about 500% to 7% of the stall load. For active/no-load mode, a force control loop is added to the EMA control, causing the EMA to follow movements of the control surface such that the external loads on the EMA are zero in steady-state. Force fighting is reduced to 30% of the stall load.     

Dynamic Modeling of Brushless dc Motors for Aerospace Actuation

A discrete time model for simulation of the dynamics of samarium cobalt-type permanent magnet brushless dc machines is presented. The similation model includes modeling of the interaction between these machines and their attached power conditioners. These are transistorized conditioner units. This model is part of an overall discrete-time analysis of the dynamic performance of electromechanical actuators, which was conducted as part of prototype development of such actuators studied and built for NASA-Johnson Space Center as a prospective alternative to hydraulic actuators presently used in shuttle orbiter applications. The resulting numerical simulations of the various machine and power conditioner current and voltage waveforms gave excellent correlation to the actual waveforms collected from actual hardware experimental testing. These results, numerical and experimental, are presented here for machine motoring, regeneration and dynamic braking modes. Application of the resulting model to the determination of machine current and torque profiles during closed-loop actuator operation were also analyzed and the results are given here. These results are given in light of an overall view of the actuator system components. The applicability of this method of analysis to design optimization and trouble-shooting in such prototype development is also discussed in light of the results at hand.