一种变体飞行器的动力学建模与动态特性分析

对可变展长、可变后掠角的变体飞行器物理模型进行了简化,基于Kane方法,将变体运动假设为已知的可控输入,利用约束方程来表示机翼的变形运动,选取飞行器位移运动速度以及角速度在机体坐标系下的6个分量作为广义速率,建立了该变体飞行器的六自由度动力学模型.定义了附加力与附加力矩的概念用于描述变体运动对飞行器产生的动力学影响,仿真结果表明,在平稳飞行条件下,相对于变形引起的空气动力的变化,机翼变形产生的附加力和附加力矩都较小.在不同的变形速度下,对变体引起的飞行器纵向运动响应进行了仿真分析,仿真结果表明,变体过程中飞行器的高度、速度以及俯仰角等状态均会发生很大变化.      

带翼潜航器动力学建模及动稳定性

带翼潜航器具有面积较大的升力面,滚转运动是带翼潜航器的基本机动方式之一.利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法研究了带翼潜航器的动导数,计算结果表明:粘性力以及主翼对机体和尾翼的干扰对加速度导数影响较大,不能将加速度导数简化为附加质量系数.带翼潜航器水动力模型直接采用加速度导数,动力学和运动学方程组考虑滚转运动参数的影响.利用小扰动假设将动力学和运动学方程组线性化,并将方程组分为纵向和横航向两组.通过计算扰动运动方程组的模态研究了带翼潜航器的动稳定性.提出的动力学模型及动稳定性分析方法可用于带翼潜航器的稳定性分析以及运动控制系统的设计.     

航行器低速斜入水运动规律

针对介质跨越航行器控制困难的问题,提出一种空中控制水下非控的单一控制策略;为了分析航行器非控状态下斜入水运动的规律,构建了航行器低速入水动力学模型,并分别使用数值仿真方法和理论模型求解方法进行同一条件下的航行体入水运动仿真,通过对2种方法的仿真结果对比验证本文所构建航行体斜入水动力学模型的正确性。利用构建的入水动力学模型,分别对不同初始速度、角度、攻角条件下的入水过程进行了运动状态仿真并分析,得出了航行体在入水运动过程中的姿态位置变化规律。此入水规律将指导介质跨越航行器后续的水下航行、进而出水的一系列研究。      

复杂动力学模型下星载天线跟瞄控制技术研究

针对星载天线动力学复杂这一问题,从天线系统刚柔耦合动力学建模、指向跟踪控制以及振动抑制等方面研究了柔性星载运动部件的指向控制方法。首先,通过描述系统几何拓扑关系建立系统运动学方程,从而简化动力学建模过程;之后,利用假设模态法,对天线反射面挠性进行建模;最后,将拉格朗日方程与挠性关节模型相结合,从而建立了星载天线非线性刚柔耦合动力学模型。在以上复杂动力学建模的基础上,采用分层设计的思路进行了控制策略设计：先运用基于计算力矩法的滑模控制器得到不考虑挠性关节的耦合控制律,从而保证卫星基体的稳定性以及天线挠性反射面的振动抑制;再使用反步法对挠性关节进行控制,实现对天线反射面的指向精度控制。最后,讨论了动力学参数不确定性对系统跟踪指向控制的影响并采用数学仿真的方式验证了相关动力学模型与控制算法。仿真结果表明该方法能较好地实现对星载天线的指向跟踪控制以及振动抑制,提高星载天线的动态指向精度。     

空间站大型伸展机构柔性多体动力学数值计算

对用ｋａｎｅ方法建立的空间站大型伸展机构柔性多体动力学数学模型,从数值计算方法和软件实现方面进行了研究。文章采用局部附着浮动坐标系描述各构件的刚体大范围伸展运动;用截断的子结构正则模态描述各构件的柔性变形;用求解刚性方程的ＴＲＥＡＮＯＲ方法进行数值积分;用混合法对系统的微分－代数动力学方程组进行求解。还对空间站伸展机构多体系统的约束方程建立、独立坐标选取和动力学方程的ｓｔｉｆｆ病态问题进行了讨论。并针对空间站伸展机构在驱动展开过程中以及展开完成后的动力学响应进行了算例计算。     

带柔性附件航天器姿态动力学的一种解析方法

从波动的角度研究以中心刚体带梁式附件为代表的一类柔性航天器的姿态运动与附件振动的相互作用问题；从航天器的姿态动力学方程及梁的波动方程出发，通过精确考虑附件的端点边界条件，导出了附件振动与航天器姿态及外力矩之间的解析关系式，分析了外力矩和姿态运动对附件振动的影响     

柔性机械臂模型非约束模态降维绝对误差准则

描述柔性结构振动的非约束模态展开方法仅考虑结构参数而不考虑外部作用力,当外部驱动力频率与非约束模态的某几阶频率相等或者相近时,这样的处理将影响动力学响应的近似精度。针对此问题,且考虑到任意驱动力都可以用傅里叶分析的方法将其等效为无穷多个正弦力的叠加,提出了一种正弦力作用下基于非约束模态降维的绝对误差准则。采用有限元法描述柔性机械臂的弹性变形,应用拉格朗日法建立其动力学方程,并用非约束模态降维模型与其作对比,仿真验证了所提出的非约束模态选取准则的正确性。     

控制力矩陀螺驱动的空间机器人轨迹跟踪控制

提出一种新的空间机器人设计概念,并研究其轨迹跟踪控制问题.系统中的各机械臂以自由球铰连接,在机器人平台和每节机械臂上均安装有一组控制力矩陀螺（CMGs,Control Moment Gyroscopes）作为控制力矩执行机构.采用改进的罗格里得斯参数（MRPs,Modified Rodrigues Parameters）描述平台和各节机械臂的姿态,利用Kane方程建立了系统的动力学模型.在此基础上,用逆动力学方法设计了系统的轨迹跟踪控制律,用以实现卫星平台的位置/姿态和机械臂末端作用器位置的轨迹跟踪控制.采用带有零运动的CMGs操纵律以使CMGs准确输出力矩并回避构型奇异.基于两关节机械臂系统和金字塔构型CMGs的数值仿真结果验证了所设计的控制律和操纵律的有效性,以及自由球铰连接方式在提高末端作用器运动自由度和降低系统动力学耦合方面的优越性.      

高频激励下旋转柔性臂逆动力学模态自适应方法研究

在空间柔性机械臂的动力学与控制问题中,逆动力学求解常要求有较高的计算速度.当柔性多体系统受到高频激励时,必须考虑高阶模态才能保证足够的计算精度,但同时提高了计算自由度数,降低了计算速度.为了提高此类问题的计算效率,本文将模态自适应策略应用于旋转柔性臂逆动力学建模,计算了高频激励下产生期望旋转运动的柔性臂关节驱动力矩,验证了该方法的有效性,并研究了重力对计算结果的影响.      

柔性支撑控制力矩陀螺动力学建模与控制

针对柔性支撑引起控制力矩陀螺(CMG)框架控制性能下降的问题,建立了柔性支撑条件下控制力矩陀螺的动力学模型,分析了柔性支撑扰动力矩的耦合机理并给出了解析模型.据此,设计了 一种积分滑模控制策略,用于提升对CMG框架动力学特性变化和新增扰动力矩的鲁棒性.仿真结果表明,该控制策略相比传统的PID控制具有更好的动态过程和稳态...     

高超声速变外形飞行器建模与有限时间控制

针对高超声速变外形飞行器变形带来的参数摄动大、变形过程建模难、外界干扰复杂等大不确定问题,研究了一类可变后掠飞行器建模与姿态控制问题,设计了一种有限时间控制方案。针对变外形飞行器建立了带有变形量的面向姿态控制的三自由度模型,该模型能够反映出变外形飞行器的内在影响。分析了变外形飞行器在典型状态下的气动特征,并给出了连续变形关键气动数据可行处理方案。针对可连续变形的飞行器设计了一套有限时间控制方案,并证明了系统稳定性。进一步考虑控制律中用到的指令微分项,设计了有限时间指令收敛滤波器。利用扩张状态观测器,估计不易测量状态和“综合扰动”。以考虑复杂干扰下的高超声速变外形飞行器为对象进行仿真,结果表明：所设计的控制方案可解决不同变形速率下、存在复合干扰的飞行器姿态控制问题。     

连续变弯度翼型动态气动特性数值模拟

针对翼型后缘连续变弯度运动中后缘边界精确数值模拟的问题,提出了基于二维多项式的时空曲面拟合方法,实现了对后缘边界时空位置的精确模拟。在此基础上,基于OpenFOAM发展了翼型后缘连续变弯度与大幅度俯仰运动耦合的运动边界数值模拟,并计算了翼型耦合运动的气动力,讨论了后缘线性/非线性变形对翼型大迎角动态气动特性的影响规律。结果表明:后缘运动对翼型俯仰运动的升阻特性影响显著,特别在翼型大幅度俯仰时后缘非线性变形对升阻特性改善效果比线性变形大6%~10%。同时还研究了翼型俯仰与后缘变形运动相位差对气动特性的影响。特别地,当相位差为180°时,后缘运动使动态失速时的最大升力提高50.3%,平均升力提高34.6%;当2种运动相位差为0°时,后缘运动使动态失速时的最大阻力降低39.7%,平均阻力降低30.2%,最大升阻比提高22.3%,平均升阻比提高16.8%;同时,翼型在动态俯仰过程中出现负阻力现象,对产生负阻力的原因进行了分析。这些结果可用于指导连续变弯度后缘控制律的设计。      

系统模态下柔性航天器混合坐标动力学方程

首先建立了采用任意浮动参考系时的柔性航天器动力学方程;然后选择连体坐标系为浮动参考系,解所得到的动力学方程的特征值问题,得到整个航天器系统的系统模态。通过模态变换,得到用连体系刚体位移和系统模态坐标表示的混合价值航天器动力学方程。与通常采用部件模态得到的混合坐标动力学方程不同,这时弹性运动方程中不存在来自刚体运动的惯性耦合项;同时也和采用系统自由弹性模性不同,这时刚体坐标直接反映航天器刚体运动。论     

基于DDPG算法的变体飞行器自主变形决策

针对变体飞行器的自主变形决策问题,提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)算法的智能二维变形决策方法。以可同时变展长及后掠角的飞行器为研究对象,利用DATCOM计算气动数据,并通过分析获得变形量与气动特性之间关系;基于给定的展长和后掠角变形动力学方程,设计DDPG算法学习步骤;针对对称和不对称变形条件下的变形策略进行学习训练。仿真结果表明:所提算法可以快速收敛,变形误差保持在3%以内,训练好的神经网络提高了变体飞行器对不同飞行任务的适应性,可以在不同的飞行环境中获得最佳的飞行性能。      

飞行器相对姿态运动的静力学、运动学和动力学方法

文章系统地研究了飞行器相对姿态运动描述问题 ,提出了求解相对姿态运动的静力学方法、运动学方法和动力学方法 ,特别是在动力学方法中 ,提出了飞行器相对姿态运动的角加速度合成定理。所得结果可作为飞行器相对姿态运动的分析和数值仿真的理论基础 ,并为今后进一步研究飞行器相对运动制导和控制问题打下基础     

展开桁架天线热致振动数值分析

对一展开桁架抛物面天线, 利用有限元法, 建立瞬态热平衡方程, 针对空间天线和热致振动的特点, 提出温度场在时间域上收敛于正确解和稳态解的收敛准则; 利用节点温度, 模拟热动力荷载, 对天线典型节点热致振动位移和天线形面精度进行了数值分析. 研究表明, 热致振动发生在热动力荷载急剧变化的初时阶段, 合适的阻尼和结构形式可以消除热致振动; 结构的热致振动响应, 主要集中在结构固有振动特性中的各向主振动; 由热致振动引起天线形面精度误差, 呈现由急剧振动趋于静态的特性, 但初始的振动幅值较大.      

高超声速飞行器平稳滑翔弹道扰动运动伴随分析

针对高超声速飞行器平稳滑翔弹道扰动运动问题,研究了伴随仿真方法及其应用。首先,利用伴随系统的数学定义式,从新的角度给出了伴随仿真方法的统一解释,包括误差预算性质和伴随一次仿真结果一般意义;对于随机线性系统,导出协方差分析的伴随。然后,在滑翔动力学建模和平稳滑翔弹道定义基础上,得到了平稳滑翔弹道定义的一致性;建立初始状态和气动力存在干扰的动力学模型,并在小扰动假设下得到标准平稳滑翔弹道附近的线性化微分方程。最后,通过伴随仿真算例,分析了确定性常值小扰动和随机扰动对平稳滑翔弹道的终端状态的影响,同时对比非线性仿真和蒙特卡罗仿真,结果吻合;伴随仿真方法的计算效率优势明显。      

基于切换多胞模型的变体飞行器增益调参控制

针对一类可变后掠翼的变体飞行器,研究了全包线控制器的设计与综合方法.建立了基于切换多胞系统的变体飞行器模型,所提出的框架利用Lyapunov函数方法分析系统的稳定性,能够从理论上保证变体飞行器在全包线下的飞行稳定.给出了利用小凸包算法从三维飞行包线中选取设计点的方法,并对各设计点处的线性化模型设计了最优控制律.为继承传统增益调参方法的优势,提出了一种特殊的控制器插值方法,保证变体飞行器三维包线下的控制综合过程简便实用.仿真结果表明所提出的控制方法在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能.      

带多个充液储箱航天器的耦合动力学建模方法

研究了充液航天器储箱内液体晃动与全星姿态运动的耦合动力学建模方法．分别基于单摆等效力学模型和质心面等效力学模型建立了全星姿态耦合动力学方程,并分别针对2个储箱串联布局、3个储箱并联布局的充液航天器在不同工况下的液体晃动问题进行了数值仿真研究;同时比较分析了两种储箱布局方案下液体晃动对航天器姿态运动的影响,为工程应用提供参考．