高超声速飞行器控制一体化设计

针对高超声速飞行器模型具有气动/推进/控制强耦合和强非线性的特点,提出了一套面向控制的一体化设计方案.在概念设计阶段,以飞行器控制性能为优化目标,对气动、推进、结构、控制等参数进行一体化综合优选来设计飞行器.考虑模型生成的保真度要求和计算效率,建立高超声速飞行器参数化的数学模型,并设计LQR(linear quadratic regulator)跟踪控制器.通过不断调整飞行器构型,比较控制相关的动静态特性和控制效果,面向控制需求选择新的飞行器构型,并进行了仿真验证.仿真结果表明:控制一体化设计方法应用于高超声速飞行器概念设计初期可以扩大飞行包线,有效增大失速裕度,减小油耗,提高操纵面效能,降低发动机壅塞制约,对高超声速飞行器的设计效率和控制性能的提高起到了指导性的作用.      

应用保护映射理论的高超声速飞行器自适应控制律设计

针对高超声速飞行器包线范围广、参数变化大的控制需求,应用保护映射理论提出一种高超声速飞行器的自适应控制律设计方法。首先建立整个飞行包线内的线性变参数(LPV)模型,在参数变化边界点设计一个初始的控制结构和参数,然后基于保护映射理论分析初始控制结构使闭环系统稳定的参数范围,通过迭代自动获取整个包线内满足性能指标的控制参数,进而通过多项式拟合设计出高超声速飞行器自适应控制律。所提出的方法能够根据初始控制结构自动寻找一系列满足性能要求的控制器参数,并确定这些控制参数满足闭环系统稳定的设计范围。仿真结果表明,所设计的自适应控制律能够确保高超声速飞行器大包线的设计要求,实现闭环系统的鲁棒稳定。     

高超声速飞行器一体化纵向气动特性分析

高超声速飞行器机体/推进一体化构型具有高性能、高升阻比等优点,但由于气动、推进与控制作用相互耦合,给飞行动力学模型研究带来新的挑战。基于高超声速飞行器空气动力学理论,研究了一体化的气动推进计算方法。该方法采用斜激波理论、普朗特迈耶公式及激波膨胀波理论计算了高超声速飞行器气动力及推力,通过与CFD的计算结果比较,验证了方法的准确性与可靠性。最后对飞行器的纵向气动特性进行了分析与讨论。     

面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法

从前期高超声速飞行器基础理论以及关键技术的研究到现今的飞行试验可以看出,高超声速飞行器在总体设计阶段过晚考虑飞行器动力学特性和控制性能会给后期控制系统设计带来极大的困难。在对两类高超声速飞行器试飞与控制相关问题分析的基础上,提出了面向控制的高超声速飞行器总体优化设计方法,给出了面向控制的总体优化设计研究方法、思路和模块框架。     

高超声速飞行器非线性控制研究

针对高超声速飞行器非线性控制研究问题,介绍了在控制器设计中的特点及难点;阐述了在现有文献中关 于高超声速飞行器非线性控制相关研究工作,并分别从变结构控制方法、鲁棒自适应控制方法、结合智能控制方法 以及观测器在控制器设计中的应用等方面进行了分析;最后,结合高超声速飞行器自身特点,指出了高超声速飞行 器非线性控制领域的研究热点和发展趋势。     

高超声速飞行器热结构设计分析技术研究

综述了国内外高超声速飞行器结构热设计分析技术的进展,探讨了计算气动热力学应用于高超声速飞行器结构设计的能力与局限性的现状,提出并讨论了高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势:(1)高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术;(2)流-热-固多物理场耦合机理模型技术;(3)流-热-固多场耦合计算分析技术;(4)高超声速飞行器热防护结构设计技术。     

高超声速飞行器强鲁棒自适应控制器设计新方法

针对高超声速飞行器飞行过程系统参数大范围剧烈变化以及存在严重不确定性的特点,同时考虑外界环境干扰复杂,内部干扰严重的特殊问题,提出了一种新型强鲁棒自适应控制器构型。该新型强鲁棒自适应控制器将控制器分为标称控制器和补偿控制器。标称控制器可采用成熟的控制理论来设计,主要考虑闭环系统的性能;采用合适的手段估计系统参数大范围剧烈变化、系统的不确定性以及内、外部干扰等“系统扰动”作为补偿控制器的输入,通过设计强鲁棒补偿控制器对“系统扰动”进行补偿,使整个闭环控制系统对“系统扰动”具有强鲁棒性。将新型强鲁棒自适应控制器应用于高超声速飞行器的姿态控制系统的设计,大大提高了高超声速飞行器控制系统对内、外部干扰的抑制和对系统参数大范围剧烈变化以及严重不确定性的适应能力,可满足高超声速飞行器飞行控制的需求。     

吸气式高超声速飞行器制导与控制研究现状及发展趋势

制导与控制技术是发展高超声速飞行器的关键技术,同时也是控制学科研究的热点问题,许多先进控制理论在此领域得到应用。鉴于此,分析了吸气式高超声速飞行器动力学模型非线性、强耦合和不确定性等特点,指出高超声速飞行器制导与控制技术面临的挑战。在综述国内外研究成果的基础上,对吸气式高超声速飞行器制导与控制中基于线性化的非线性控制方法和直接针对非线性模型的控制方法分类讨论,分析了尚待解决的问题和不足。最后,结合吸气式高超声速飞行器鲁棒性、自适应性和智能化的目标,从面向机动目标制导律、高速目标拦截器制导律、全空域机动飞行控制和先进智能控制理论等方面展望了此领域研究的发展趋势。     

高超声速进气道前缘流场-热-结构耦合分析

通过分析高超声速流场-热-结构耦合问题的机理过程,对多场耦合模型进行了数学物理描述,以此发展了松耦合分析策略框架。在此基础上,采用自适应耦合计算时间步长、混合插值策略和复杂外形网格变形等方法,实现了多场耦合分析平台。针对高超声速飞行器进气道前缘结构的耦合特征进行了初步分析研究,计算结果揭示了在持续长时间飞行条件下流场-热-结构耦合的时空分布特征,为深入开展高超声速飞行器热防护系统的综合性能评估及优化提供了理论与技术支撑。     

高超声速飞行器单因素融合鲁棒预测控制

针对离线预测控制忽略各个因素对控制律的影响程度,将系统状态变量一维子空间对应的单因素控制量序列进行融合计算,设计了高超声速飞行器的单因素融合鲁棒预测控制器。针对系统的一维子空间离线生成单因素椭圆不变集序列和相应的控制量序列。在线时,在单因素椭圆不变集中分别搜索包含当前状态的最小椭圆,根据当前状态对控制序列进行融合得到控制律。仿真结果表明,相比于传统离线鲁棒预测控制算法,该方法能实现对高度和速度指令的快速、精确跟踪;相比于在线鲁棒预测控制算法,在线计算时间大大减少,实现了对高超声速飞行器的实时控制。     

RP-3航空煤油三组分替代燃料简化机理验证

利用机理自动简化程序ReaxRed对航空煤油RP-3三组分替代燃料半详细化学反应动力学模型采用两种方案分别进行了简化。方案一采用直接关系图（directed relation graph,DRG）法构建了109组分423步基元反应,方案二在方案一的结果上采用基于误差传播的DRG（directed relation graph based on error propagation,DRGEP）方法和计算奇异摄动（computational singular perturbation,CSP）法构建了84组分271步基元反应。结合点火延迟试验数据对方案二所构建的简化机理进行了验证,并且采用层流火焰速度、温度和重要产物等方面的数值计算结果进行对比分析,结果表明:方案二所构建的简化机理在简化过程中保留一定的计算精度前提下更加经济实用,其中在各种工况下方案二简化机理和半详细机理的点火延迟时间之间的平均误差在6%以内并且它们在火焰传播速度方面平均误差在不超过8%。采用本生灯预混燃烧器为物理模型,以RP-3航空煤油为燃料,进行相应的试验研究来验证方案二的简化机理,结果表明该简化机理数值计算结果与试验数据较吻合。      

基于自适应代理模型的气动优化方法

气动优化设计中,为了减少优化系统的计算周期,提高搜索效率,引入结构简单、计算量较小的代理模型,而运用有效的插值和选样方法(自适应选样)可以大大减少建立代理模型的时间。因此本文提出了一种基于自适应代理模型的气动优化方法。首先对自适应代理模型进行研究,建立了 Kriging 自适应代理模型和支持向量回归自适应代理模型,这两种自适应代理模型在相同样本点情况下比一般代理模型拥有更高的预测能力,然后将这其应用到翼型优化设计中,取得了良好的优化效果,从而表明这两种自适应代理模型不仅简单实用,而且明显提高了气动分析的计算效率。     

正十烷简化机理的构建及其在发动机燃烧数值模拟中的应用

发动机燃烧室中燃料的能量释放与燃烧特性对于发动机设计具有重要作用,为了预测发动机点火包线和贫/富油极限等关键性能,迫切需要发展航空燃料及其典型组分的高精度化学动力学模型。本文针对燃料典型组分正十烷,采用自主开发的机理生成程序ReaxGen构建了其燃烧详细机理（1499种组分、5713步反应）。为了验证机理的合理性与可靠性,在当量比Φ=0.5-2.0,压力P=1-80 atm的宽工况条件下进行了点火延迟模拟验证,结果表明本文提出的正十烷详细机理在较宽的温度、压力和当量比条件下具有较高的模拟精度。为获得适用于发动机燃烧模拟的高精度简化机理,本文基于误差传播的直接关系图方法简化了正十烷燃烧详细机理,得到包含709种组分、2793步反应的正十烷半详细机理。进一步在高温范围（1000-1500 K）,采用路径通量分析方法简化得到含77种组分、359个反应的骨架机理。获得的骨架机理能够合理描述正十烷在高温下的燃烧特性,且该骨架机理尺度规模可用于基于火焰面模型的燃烧数值模拟。基于此高精度的骨架机理模型,结合火焰面生成流形湍流燃烧模型,采用大涡模拟方法进行了航空发动机环形燃烧室单头部扇形的燃烧模拟,初步获得了非稳态流场结构,其中温度模拟结果与实验值基本符合。     

考虑飞行条件变化和制造误差的气动优化方法

提出一种渐近全局代理模型方法以提高稳健优化中的代理模型的精度.基本思路是连续成批地在样本空间的全局和局部均加入新样本点,不断提高代理模型的全局拟合精度.将基于渐近全局代理模型稳健优化方法应用于高亚声速翼型设计,结果表明不仅目标值阻力系数具有稳健性,对飞行条件的小幅度变化和制造误差不敏感,而且力矩系数的约束也具有稳健性.     

Research on multi-fidelity aerodynamic optimization methods

 Constructing high approximation accuracy surrogate model with lower computational cost has great engineering significance. In this paper, using co-Kriging method, an efficient multifidelity surrogate model is constructed based on two independent high and low fidelity samples. Co-Kriging method can use a greater quantity of low-fidelity information to enhance the accuracy of a surrogate of the high-fidelity model by modeling the correlation between high and low fidelity model, thus computational cost of building surrogate model can be greatly reduced. A wing-body problem is taken as an example to compare characteristics of co-Kriging multi-fidelity (CKMF) model with traditional Kriging based multi-fidelity (KMF) model. A sampling convergence of the CKMF model and the KMF model is conducted, and an appropriate sampling design is selected through the sampling convergence analysis. The results indicate that CKMF model has higher approximation accuracy with the same high-fidelity samples, and converges at less high-fidelity samples. A wing-body drag reduction optimization design using genetic algorithm is implemented. Satisfying design results are obtained, which validate the feasibility of CKMF model in engineering design.     

基于SVR多学科设计优化代理模型技术研究

为挖掘设计潜力,提高飞机设计质量,通过代理模型方法研究了多学科设计优化(MDO)。基于径向基函数模型,研究了一种新的代理模型技术--支持向量回归方法(SVR)。通过数值算例和某通用航空飞机多学科设计优化应用算例对支持向量回归方法的有效性进行了验证。研究结果表明,支持向量回归是一种比较有效的代理模型方法,在飞机多学科设计优化的理论研究和工程实践方面具有重要的参考意义。     

Application of a PCA-DBN-based surrogate model to robust aerodynamic design optimization

An efficient method employing a Principal Component Analysis (PCA)-Deep Belief Network (DBN)-based surrogate model is developed for robust aerodynamic design optimization in this study. In order to reduce the number of design variables for aerodynamic optimizations, the PCA technique is implemented to the geometric parameters obtained by parameterization method. For the purpose of predicting aerodynamic parameters, the DBN model is established with the reduced design variables as input and the aerodynamic parameters as output, and it is trained using the k-step contrastive divergence algorithm. The established PCA-DBN-based surrogate model is validated through predicting lift-to-drag ratios of a set of airfoils, and the results indicate that the PCA-DBN-based surrogate model is reliable and obtains more accurate predictions than three other surrogate models. Then the efficient optimization method is established by embedding the PCA-DBN-based surrogate model into an improved Particle Swarm Optimization (PSO) framework, and applied to the robust aerodynamic design optimizations of Natural Laminar Flow (NLF) airfoil and transonic wing. The optimization results indicate that the PCA-DBN-based surrogate model works very well as a prediction model in the robust optimization processes of both NLF airfoil and transonic wing. By employing the PCA-DBN-based surrogate model, the developed efficient method improves the optimization efficiency obviously.     

偏置式Delta并联机构的运动学分析

 具有3 个平移自由度的Delta 并联机构因所有运动副均采用转动铰链而愈来愈引起研究者的重视。偏置量的存在虽降低了加工、制造、装配的难度,但其运动学分析的难度大大增加。本文利用消元法对偏置式Delta 并联机构的正逆运动学进行了深入分析,求出了所有数值解。并采用几何图解法验证了位置正逆解的正确性。在运动学分析过程中引入了矢量分析,使得消元法求解过程十分简便。通过偏置式Delta 并联机构的运动学分析可以证明,某些观点并不准确。     

大型民机翼型变弯度气动特性分析与优化设计

为了提高飞机巡航过程中升力系数、马赫数变化后的气动效率,大型民用运输机开始采用机翼变弯度技术。以典型远程宽体客机翼型为例,研究了翼型后缘变弯度对气动性能与压力分布的影响。利用代理模型建立了不同巡航设计工况下,翼型后缘弯度与气动性能的关系。以此为基础,提出了基于代理模型的大型民机翼型变弯度设计优化方法。算例研究表明,在给定巡航升力系数与马赫数下,该方法可以预测出翼型的最佳弯度,从而改善非设计点气动性能。该方法对大型民机机翼变弯度构型设计工作有一定的工程意义。