一种新的气动伺服弹性失稳模式的机理分析

某超声速导弹在飞行试验中发生了气动伺服弹性失稳导致的结构解体,通过对飞行试验数据的分析发现,气动伺服弹性失稳的振动频率高于弹体一阶弯曲模态频率,对导弹进行气动伺服弹性稳定性频域分析,并未发现该频率段发生气动伺服弹性失稳。针对该问题,建立了一种可以考虑数字式飞控系统采样过程影响的气动伺服弹性稳定性仿真分析方法,并对该导弹进行了建模分析,数值结果复现了该导弹的失稳现象。讨论了这一新型失稳现象发生的原因,包括连续结构滤波器离散化带来的移频现象和频率混叠问题。给出了对应的改进措施和相关的结论。     

弹性导弹的连续与离散阵风响应

导弹在空中飞行时会受到阵风的干扰,过大幅值的阵风响应可能影响结构安全 、飞行性能及攻击精度.为此,基于导弹刚体/弹性耦合运动方程和准定常气动力,建立了导 弹气动伺服弹性系统的连续与离散阵风响应分析方法.对于连续阵风,通过频率响应函数来 计算响应的功率谱密度;对于离散阵风,则在状态空间方程的基础上时间积分求得响应历程 .以某导弹为例,进行了气动伺服弹性稳定性分析、连续和离散阵风响应分析,并提出了飞 行控制系统的改进设计.数值结果表明,结构与控制之间的不利耦合可能使系统的稳定性和 阵风响应特性恶化,在控制回路中增加合适的结构陷波器可有效减小弹性模态的不利影响.      

特种风洞试验中气动伺服弹性失稳故障分析

在某带飞行控制系统的特种风洞试验中,试验模型在闭环大增益情况下出现了振动发散现象。为分析故障原因,对试验数据进行了频谱分析并检验了无风情况下伺服稳定性;同时,将风洞试验动力学系统简化为数学模型,并建立相应的运动微分方程进行分析,得到以下结论:加入支持结构后整个系统的弹性影响较大,并与控制及气动力发生耦合出现气动伺服弹性失稳。进一步针对以上简化模型,进行数值仿真,其结果验证了以上机理。为解决此失稳问题,对控制系统提出了2种改进方案:增加结构陷波器或更改操纵面偏转比例参数,2种方案亦得到仿真验证。最后,将增加结构陷波器的改进方案应用到试验中,达到了预期的效果。      

非线性结构气动伺服弹性稳定性分析

真实的气动伺服弹性系统通常都含有各种非线性因素,它们会对系统的特性带来不可忽略的影响.为此采用一种频域方法对带有间隙的非线性结构进行气动伺服弹性稳定性分析.在气动伺服弹性运动方程中,非线性的结构刚度通过描述函数法转化为准线性的等效刚度,然后采用线性控制理论中的Nyquist方法来判断气动伺服弹性系统的稳定性并计算稳定裕度.以某一飞机的带有扑动和旋转间隙的受控翼面为例进行了数值计算.结果表明,旋转间隙对系统的稳定性影响是主要的;旋转间隙越大,系统稳定裕度越小.      

飞机的气动伺服弹性横侧向风洞试验研究

通过飞机模型的气动伺服弹性横侧向风洞试验验证飞机气动伺服弹性稳定性,及稳定裕度分析方法的可靠性.对试验模型,试验子系统,实现试验的方法及试验结果进行了讨论.在模型试验技术上,如模型的支持系统,有关控制律的相似方法,液压控制系统,试验的计算机控制等都作了详细的论述.试验的结果可应用于飞机工程实际,它表明目前的气动伺服弹性分析方法是可信的,并将在进一步研究中改进.      

推力矢量防空导弹伺服弹性的抑制

大长径比,低弹性频率的推力矢量控制导弹,由于其喷管摆动形成的惯性力对弹性模态产生激振,使弹体控制中存在伺服弹性问题.为了解决该问题,对摆动喷管控制下的弹性弹体模型进行了分析,针对弹性模态对控制系统的影响途径,提出了双传感器布局及测量信号预综合的方法.在此基础上,基于Steiglitz-McBride系统辨识方法,设计一种自适应噪声抑制滤波器对测得信号中的弹性分量进行处理,取得导弹刚体运动的有用信号.仿真证明该方法有效提高了控制系统对弹体弹性特征变化的适应性.双传感器的使用也增加了测量及滤波系统的可靠性.     

多变量气动伺服弹性系统的鲁棒稳定性研究

根据现代控制理论,对多输入-多输出气动伺服弹性系统的鲁棒稳定性进行研究.分别采用小增益原理和最小奇异值理论两种方法,对涉及飞行器互相耦合的横滚和偏航回路的控制系统进行分析,得出了气动伺服弹性系统抵抗建模误差、保持鲁棒稳定的范围.这两种方法都分别给出了稳定性判据,根据判据可以确定其鲁棒稳定性(或稳定裕度).作为系统扰动的表达形式,文中还对系统不确定性矩阵进行了描述.算例是在某ACT战斗机的计算模型上完成的,两种方法的计算结果取得了一致.      

吸气式高超声速飞行器耦合运动数值模拟

为了研究吸气式高超声速飞行器在俯仰/滚转两自由度耦合运动下的动稳定性问题,基于气动/运动耦合数值模拟方法并结合理论分析,针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞行器开展了进气道通流状态下强迫俯仰/自由滚转耦合运动数值模拟研究。结果表明:强迫俯仰/自由滚转耦合运动下,滚转通道的动力学方程可以简化为有阻尼的Mathieu方程形式,并且可以求得稳定性边界。理论分析表明:滚转通道的动稳定性与俯仰振荡角频率相关,在飞行器滚转振荡固有角频率附近存在2个临界角频率,当俯仰振荡角频率位于2个临界角频率之间时,滚转通道是动不稳定的。在俯仰振荡振幅较小时,数值模拟结果与理论符合较好,但实际的临界角频率与理论分析求解的值有一定偏差;数值模拟结果表明随着俯仰振荡振幅增大,导致滚转发散的角频率范围变得更宽,且向更高频率偏移。      

基于逆动力学和在线参数辨识的飞机姿态控制

传统的综合飞行/火力控制系统的设计使用了PID(Proportion-Integral-Differential)结构的飞行/火力耦合器,具有鲁棒性差、设计工作量大等缺点.提出了一种基于逆动力学和在线参数辨识的方法,用于直接设计综合控制系统中的姿态控制器.其中,对飞机的转动动力学方程,推导得到了其逆特性的解析形式;使用在线参数辨识方法,对飞机的气动特性进行估计并用于舵面分配.以六自由度非线性飞机模型为对象进行了仿真,结果表明所设计的姿态控制系统具有快速性好、通道间解耦效果明显、对气动模型误差的鲁棒性强等优点.本方法也可推广用于其他的飞行器姿态控制系统设计.     

空间站机械臂转位系统动力学建模及特性分析

为分析空间站在应用机械臂转位过程中的动力学特性,采用矢量力学方法推导了考虑偏心量的空间站转位系统动力学模型.使用有限元方法描述柔性臂的弹性变形,应用Newton-Euler法建立空间站机械臂转位系统转动方程,并采用Lagrange法建立柔性臂振动方程;针对柔性机械臂末端带有大负载的特点,将末端弹性变形引起的负载角速度从负载绝对角速度中分离,应用约束模态展开法对动力学方程进行降阶.提出了构造降维矩阵的方法以便于利用空间动力学模型研究机械臂平面转位问题;分析了空间站舱体转位过程中系统的转动惯量、偏心量发生变化的特性.数值仿真结果表明:空间站在转位过程中,系统总体相对于系统质心的转动惯量变化巨大,且偏心量变化范围甚至已超出了空间站核心舱的几何范围.结论可为空间站的控制系统设计提供理论参考.     

耦合的气动伺服弹性系统鲁棒稳定裕度估算

根据多输入－多输出控制系统理论，对飞行器耦合的气动伺服弹性系统进行了稳定裕度估算，耦合是在飞行器的横滚与偏航之间产生的，以闭环系统回差矩阵的奇异值理论作为估算方法的基础，应用鲁棒稳定性的充分条件，以某飞行器为例进行估算，得出飞行器在给定速度下保持稳定性的抵抗系统摄动的范围。     

基于动态逆的BTT导弹自动驾驶仪设计

针对BTT(Bank-To-Turn)导弹的复杂非线性特性和冲压发动机带来的飞行姿态限制,在其自动驾驶仪设计问题上,指出了直接应用动态逆方法存在非最小相位特性,提出了基于动态逆的双阶段设计方法:第一阶段采用动态逆方法设计内环控制器实现攻角、侧滑角和滚转角的跟踪;第二阶段分别基于神经网络和动态逆构造攻角和滚转角速度指令生成器,实现外环对法向加速度、侧滑角和滚转角的良好跟踪效果.六自由度数学仿真验证了该方法的三通道的解耦控制能力和鲁棒性,为BTT导弹自动驾驶仪设计提供了一个可行的方案.      

直接力/气动力复合控制导弹 自适应模糊滑模控制

针对采用直接力/气动力复合控制导弹所具有的强耦合非线性等特性,提出了一种基于自适应模糊滑模控制的自动驾驶仪设计方法.该方法利用自适应模糊系统所具有的万能逼近特性,对大攻角飞行过程中导弹动力学系统存在的非线性特性进行逼近,并利用变结构控制对外界干扰的强鲁棒性,构造误差系统滑模面,克服了逼近误差和外界干扰对控制系统的影响,实现了对大机动指令的精确跟踪.仿真结果表明,所设计的控制方法对大过载指令有较好的跟踪效果,对模型不确定性和外界干扰也具有较好的鲁棒性.由于采用直接力/气动力复合控制,有效的减小了气动舵偏角,避免了气动舵的饱和.      

基于自适应反演法的导弹直/气复合制导

防空导弹要求能够应对高速、高机动性等复杂对抗环境,直接力/气动力复合制导是防空导弹制导系统设计的关键技术.主要研究了直接力/气动力复合控制导弹的控制律、操纵律以及制导律,针对非线性系统,提出了一种基于自适应反演理论的控制方法;直/气复合切换逻辑采用模糊方法;末制导段应用变结构制导律.以某防空导弹为例进行仿真,结果表明该复合制导方法易于实现,对于高机动目标具有良好的制导精度,显示了该方法的有效性.     

基于Volterra级数的跨音速非定常气动力建模

为了有效实现跨音速气动伺服弹性的分析与综合,应用Volterra级数理论建立了一种跨音速非定常气动力状态空间建模方法.小扰动假设下的跨音速非定常气动力可以近似地表示为一阶Volterra级数的形式.通过CFD(Computation Fluid Dynamics)技术计算得到由结构变形产生的非定常气动力阶跃响应可辨识出Volterra核,由此得到频域的广义非定常气动力影响系数.利用气动力有理函数拟合,得到气动弹性状态空间模型.为验证气动力建模的有效性,以后掠机翼为例进行颤振计算.结果表明,Volterra级数方法得到的非定常气动力模型能够反映一定的跨音速气动特性,颤振计算与CFD-CSD(CFD-Computation Structure Dynamics)的计算结果吻合很好.