飞行控制系统虚拟原型技术

 在综述虚拟原型技术的基础上,研究飞行控制系统虚拟原型机以及采用虚拟原型技术后飞控系统的设计方法。提出了飞控系统设计,特别是飞控计算机设计中,基于虚拟原型技术的 3个层次应用,分析了构筑虚拟原型机需要重点解决的一些问题。     

飞行控制系统的快速原型设计

飞行控制系统设计是一个涉及控制、机械、电子和计算机等多个分系统的复杂系统工程,需要进行多学科、多专业的协同设计,虚拟样机技术从建模和仿真分析等多个方面为协同设计提供了技术和方法上的支持,而快速原型设计是基于虚拟样机的,快速生成物理样机的一种技术,可以看作是我国现阶段虚拟样机技术应用的一个廉价快速的替代方案。介绍了快速原型设计的概念,针对飞行控制系统的快速原型设计,讨论了与其有关的设计仿真软件、关键技术和实施方法。     

直升机飞行控制系统的快速原型设计

针对直升机飞行控制的特点,结合国际直升机界的研究热点,提出了直升机飞行控制的快速原型设计方法,该方法分利用当今计算机领域的最新技术,在不牺牲系统性能的前提下,以最低的成本,最快的速度,构建最小规模的实时系统和直观的控制系统设计界面,并提供完整的验证手段。     

风洞虚拟飞行试验技术初步研究

介绍了在航天空气动力技术研究院FD-10低速风洞中建立的风洞虚拟飞行试验系统,和对风洞虚拟飞行试验技术进行了验证性研究的情况。研究的目的是探索风洞虚拟飞行试验技术的原理和关键技术,包括组合式滚转轴承系统和舵面作动系统的缩比模型以及悬挂支撑系统技术。分别进行了模型滚转运动和偏航运动的风洞试验,对模型姿态随舵偏角变化的实时响应进行了风洞试验研究,验证了虚拟飞行的可行性,为建立生产型风洞的虚拟飞行试验装置打下了基础。     

8m低速风洞虚拟飞行试验技术研究

针对大尺寸缩比飞机模型的气动/运动/控制耦合问题,发展了基于8 m大型低速风洞的虚拟飞行试验技术,开展了4 m尺寸的大展弦比类飞机模型虚拟飞行验证试验,并将试验结果与虚拟飞行环境下的仿真结果进行对比。试验系统功能稳定可靠,设计的试验支撑装置运动范围大、可兼顾单/双/三自由度试验,且满足大载荷受力条件;姿态测量精度优于±0.3°,可实时测量舵面位置且延迟不足0.1 s;俯仰和滚转闭环控制试验响应历程和仿真结果平均偏差不超过5%。研究结果表明,8 m风洞虚拟飞行试验技术能够有效模拟大尺寸缩比模型的机动运动,并具备纵向、航向及横向耦合闭环控制试验模拟能力。     

风洞虚拟飞行试验模拟方法研究

风洞虚拟飞行试验是把飞行器模型安装在风洞中具有三个转动自由度的专用支撑装置上,让三个角位移可以自由转动或者按照飞行器的飞行要求实时操纵控制舵面,来实现较为逼真的模拟飞行器真实机动运动过程,进而达到探索其气动／运动耦合机理的目的。发展风洞虚拟飞行试验,其模拟方法是必须要解决的核心理论问题。针对某典型导弹,开展了铅垂平面内三自由度俯仰运动的开环控制和闭环控制飞行仿真模拟,分析了风洞虚拟飞行试验和真实飞行之间的主要差异及其影响,研究了风洞虚拟飞行试验的模拟方法。结果表明：对铅垂平面内的三自由度俯仰运动,采用俯仰角速度反馈的经典三回路自动驾驶仪闭环控制方式,风洞虚拟飞行试验能够较为逼真地模拟真实飞行过程。     

2.4 m跨声速风洞虚拟飞行试验技术研究

风洞虚拟飞行试验(WTBVFT)技术是在风洞环境中对飞行器机动运动最逼真模拟的物理过程,它不仅可以更加有效模拟飞行器的机动运动过程、获取气动/运动耦合特性和揭示气动/运动耦合机理,而且能够实现气动/飞行力学集成的相容性研究。鉴于此,简要介绍了2.4 m跨声速WTBVFT技术,包括:相似准则和模拟方法、试验模型支撑技术、气动/运动参数测试技术和操纵控制技术等,并开展了典型导弹模型开环控制、姿态角闭环控制、加速度闭环控制、俯仰/滚转耦合与解耦控制以及靶试弹道验证等WTBVFT。研究结果表明:WTBVFT系统运动灵活,气动参数和运动参数测量结果准确可靠,能够有效模拟导弹实际飞行过程,具备闭环控制与耦合运动解耦控制的试验模拟能力,初步形成了气动/飞行力学一体化试验研究能力。同时,该研究也为开展控制方法优化与验证、数据修正与应用以及发展复杂构型的WTBVFT奠定了技术基础。     

虚拟飞行试验技术介绍

飞行器在大迎角下机动飞行，流动状态的非定常性是其重要特性。对飞行器的非定常气动特性研究预测，主要还是以风洞试验为主。以前风洞试验主要是动导数试验和大迎角非定常试验。由于这两种试验的局限性，AEDC最近开始研究一种新的风洞试验技术一虚拟飞行试验技术。本文主要是对这种新的风洞试验技术研究情况做了介绍。     

风洞虚拟飞行试验模型绳系并联支撑机构

提出了一种三自由度风洞虚拟飞行试验模型的绳系并联支撑机构,采用上下各两根绳索牵引飞行器模型,并配合偏航转台模拟飞行器模型的三轴姿态变化,实现3个转动自由度的自由耦合和解耦运动。首先通过螺旋理论的构型设计和自由度分析方法完成该风洞虚拟飞行试验模型支撑机构总体设计;接着通过对支撑平台的结构优化,使得机构运动过程中模型质心与机构转动中心重合,以保证支撑系统的稳定性;最后对该欠约束、可重构、被动驱动的虚拟飞行试验模型绳系并联支撑机构进行运动学和动力学建模,并通过动力学仿真和初步风洞试验,验证了该绳系支撑机构能够满足风洞虚拟飞行试验支撑系统的要求。为发展新型风洞虚拟飞行试验模型提供了新思路,也为飞行器模型的气动力耦合机理和气动参数辨识等风洞试验奠定了基础。     

高机动导弹气动／运动／控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

解决先进飞行器大迎角高机动飞行时的气动／运动非线性耦合问题,需要发展基于非线性理论的风洞试验技术,即风洞虚拟飞行试验技术。该试验能够实现较为逼真的模拟飞行器机动运动过程,气动和运动参数的实时同步测量,以及飞行控制律的集成验证与优化,从而达到探索气动／运动耦合特性和机理的目的。本文介绍了风洞虚拟飞行试验的模拟方法、关键技术及其解决措施,并针对典型导弹模型开展了虚拟飞行验证试验。试验结果表明：目前已经初步具备适用于导弹模型跨声速气动／运动／飞行控制一体化研究的风洞虚拟飞行试验能力。     

高机动导弹气动/运动/控制耦合的风洞虚拟飞行试验技术

利用风洞虚拟飞行技术可在风洞中开展飞行器的飞行控制验证与评估研究。飞行控制子系统是虚拟飞行试验技术的核心,采用控制系统快速原型技术,可实现嵌入式实时飞行控制代码自动生成和快速部署,从而大幅降低飞行控制系统集成难度,有效提高风洞虚拟飞行试验效率。本文概述了Φ3.2m风洞虚拟飞行试验系统组成和现状,详细介绍了基于该系统的飞行控制系统快速原型开发平台和部署方法,通过某飞机缩比模型全数字仿真、半实物仿真和风洞虚拟飞行试验,验证了该技术具有良好的通用性和开放性等特点,可以满足不同型号飞行器风洞虚拟飞行试验飞行控制系统集成需求。     

风洞虚拟飞行模型机与原型机动力学特性分析

在低速风洞虚拟飞行试验系统中,采用三自由度（3-DOF）球铰支撑动力学相似缩比飞机模型,在气动力矩作用下试验模型可绕质心自由转动。这种带约束的运动与具有六自由度（6-DOF）的真实大气飞行存在差别,鉴于此,对各影响因素逐个剖离并进行了数值模拟和对比分析。结果表明：位移约束使两者间的动力学特性产生较明显的差异,缩比的影响符合相似准则规律,机构摩擦、模型重心与支撑点不重合影响较小,常值干扰力矩对模型的初始响应有一定影响。对比分析结果可以用于指导风洞虚拟飞行试验的开展,并有助于完善风洞虚拟飞行试验技术及其拓展应用。     

自动飞行控制系统的设计技术

提出自动飞行控制系统(自动驾驶仪)的设计要求及接入电传系统的两种形式,阐明实现纵向通道姿态、气压高度、表速或Ma数稳定、改平以及横侧通道倾斜角、航向角稳定、改平、进入航向等纵、横、航向的控制律算法,并给出与电传系统交联关系和工作逻辑,对未来战斗机自动飞行控制系统设计具有一定参考价值。     

带等离子控制的飞翼布局飞机模型的风洞虚拟飞行试验

等离子体流动控制技术已经在流动控制领域成为热点和焦点。为了研究等离子体对于飞翼布局飞机稳定性的影响,本文研究中采用闭环飞行控制律对飞翼布局飞机模型的操纵舵面进行操控,同时增加等离子控制,对该模型飞机在失速迎角附近区域开展三自由度(3DoF)的虚拟飞行试验研究。结果表明,等离子打开后,在俯仰运动上,使得飞机俯仰振荡幅值变小,增快振荡衰减,在滚转运动上,对滚转角命令的跟随性变好;在偏航运动上,增加了偏航阻尼,改善了原来偏航运动的偏离问题。因此,等离子流动控制对于飞翼布局飞机在失速迎角附近的稳定性改善具有良好的效果,对未来等离子技术的实际应用提供了借鉴和指导。     

微型涡轮发动机快速原型控制系统

提出一种基于工业控制计算机的面向微型涡轮发动机(MTE)控制的快速原型控制系统.它提供完整的与执行机构及传感器电路的接口, 并提供基于Windows平台的控制器软件实时开发环境.快速原型设计技术可以极大地提高嵌入式控制系统的开发效率.基于该快速原型控制系统不但可以实现对发动机的控制, 而且可以实时记录试验结果, 并提供友好的人机界面, 后者对发动机控制系统的试验研究是非常重要的.台架试车表明, 该快速原型控制系统是切实有效的.      

面向先进战斗机研制的风洞模型飞行试验技术

高机动性先进战斗机气动布局与飞控系统设计面临愈加严峻的流动/运动/控制耦合问题,大迎角飞行以及推力矢量等高新技术应用也使其在研制过程中面临更高的技术风险,风洞模型飞行试验是实现飞行器气动/飞行/控制一体化研究、降低研制技术风险的重要手段。介绍了低速风洞模型飞行试验技术原理及国内外发展现状,对试验技术主要特点及其在支撑先进战斗机研制中的作用、应用范围、应用阶段以及面临的主要挑战进行了分析,为试验技术发展和应用提供参考。发展和应用低速风洞模型飞行试验技术,有利于充分挖掘战斗机的气动性能与控制性能,降低试飞风险,是新一代战斗机研制、新技术工程化应用的重要支撑技术。     

一种低速风洞虚拟飞行试验装置的建模与仿真

为实现大角度范围、多自由度的机动动作模拟,研发一种低速风洞三自由度动态试验支撑机构,可模拟绕速度矢滚转机动动作以及失速偏离、尾旋等危险飞行状态。该机构通过两自由度转台和旋转曲杆的组合运动模拟飞机模型的三轴姿态变化。基于多体动力学理论,采用拉格朗日乘子法推导出该机构曲杆-飞机模型的动力学数学模型;模型中考虑了机构与试验模型的约束关系、机构摩擦力矩的影响。仿真结果表明:采用该支撑机构,飞机模型可在水平风洞中实现绕速度矢量滚转等典型机动动作;曲杆和试验模型的滚转运动基本同步;曲杆主要影响速率响应的动态过程,摩擦力矩对速率的动态过程和稳态值有一定影响。以上数学建模和仿真验证可为风洞试验提供理论依据。     

电传飞行控制系统的余度设计技术

余度设计是提高电传飞行控制系统安全性与任务可靠性的一种重要手段。对电传飞行控制系统中的余度设计内容进行了介绍,探讨了这一领域的一些重要问题。主要内容包括相似余度,非相似余度,解析余度,功能冗余设计技术。对其核心技术和研究难点进行了分析,为进一步研究打下了基础。     

直升机电传飞行控制系统顶层设计技术

顶层设计是电传飞行控制系统关键技术之一，本文从系统总体需求、控制律构型、余度管理三个方面简要总结了直升机电传飞行控制系统顶层设计技术。     

B-2飞行控制系统的设计技术

四发全翼布局的B-2隐身轰炸机,兼有低空突防能力,用以穿透严密的纵深防区,摧毁具有重大价值的目标。 B-2的全翼(all-wing.)布局是诺斯罗普公司早期飞翼(fly-wing)设计的继承和发展,其特点是机翼面积大、翼载低、升阻比高,因而在航程和装载方面有优势。高超的隐身能力,使外形、操纵面和空速管布置独特。这些都给飞控系统设计提出了新的挑战。 B-2是第一架真正随控布局的生产型飞机。主操纵面由机翼后缘三组升降副翼操纵俯仰和滚转,低速飞行时内升降副翼协同参加操纵。最外一组操纵面可上下分裂张开,构成阻力方向舵操纵偏航,并能作辅助俯仰滚转操纵,也可作减速板,如图1所示。操纵面的使用与起飞、巡航、着陆主要飞行状态所需飞控构型有关。