Flight dynamics modeling of a small ducted fan aerial vehicle based on parameter identifcation

This paper presents a simple and useful modeling method to acquire a dynamics model of an aerial vehicle containing unknown parameters using mechanism modeling,and then to design different identifcation experiments to identify the parameters based on the sources and features of its unknown parameters.Based on the mathematical model of the aerial vehicle acquired by modeling and identifcation,a design for the structural parameters of the attitude control system is carried out,and the results of the attitude control flaps are verifed by simulation experiments and flight tests of the aerial vehicle.Results of the mathematical simulation and flight tests show that the mathematical model acquired using parameter identifcation is comparatively accurate and of clear mechanics,and can be used as the reference and basis for the structural design.     

高速飞行器翼面结构热振动试验的TARMA模型方法

高速飞行器翼面结构的热振动试验研究对这类飞行器的设计和安全飞行具有重要的意义。采用时变自回归滑动平均(TARMA)模型方法建立了受热时变结构系统模态频率辨识的数学模型,并用一个数值算例进行了验证。将地面振动测试系统与瞬态热环境模拟系统相结合,设计了翼面结构热振动试验系统并模拟结构的瞬态温度场,同时对纯随机激振力激励下受热时变结构系统的振动位移信号进行测量,并用TARMA模型对时变固有频率进行了辨识,获得了前4阶固有频率随加热时间的变化规律,并将辨识结果与数值计算结果进行了比较,两者误差在5%以内。另外,在稳态均匀热环境下辨识得到的结构系统固有频率变化与数值计算结果也吻合得很好。通过将均匀温度场与瞬态温度场下的结果进行对比分析,指出了瞬态热环境下时变结构的固有频率随加热时间变化的趋势主要由结构材料属性的退化和结构内部不均匀热应力的影响共同决定。     

Analytical parametric identification in dynamic wind-tunnel tests

The dynamic wind-tunnel tests of a functional model of a flight vehicle being developed make it possible to obtain more reliable data on aerodynamic and structural characteristics and, hence, improve the design quality and increase reliability in the finished product operation. The objective stated is achieved by formation of angular model motions, the parameters of which are measured and compared with angular parameters calculated using the analytical solutions of differential equations of motions being formed. We considered two media of the incoming flow with the resistance proportional to speed and the square of speed. The results can be used in flight vehicle design, development of onboard control algorithms and subsequent identification of other parameters.     

高速自旋飞行器气动参数辨识

根据高速自旋飞行器运动的特点，发展了气动参数辨识的一种数学模型，辨识参数包括静态气动导数、气动阻尼导数和马格努斯力矩导数等。仿真算例证实了该数学模型的有效性。应用该数学模型分析处理了某高速自旋飞行器的飞行试验数据．辨识获得了其主要气动参数，并分析了若干常见误差源对气动参数辨识结果的影响。     

吸气式激光推进飞行器发动机特性分析

介绍了吸气式脉冲激光爆轰推进的环聚焦构形飞行器概念,建立了进气道流动模型;利用Chapman-Jouguet爆轰理论和Sedov自相似律,建立了冲量发生与推力传递模型,给出了冲量耦合系数及等效比冲与飞行参数、激光脉冲参数之间关系的解析表达式。计算了发动机冲量耦合系数及等效比冲随飞行高度、马赫数、入射激光强度和脉宽等因素变化的曲线,结果可为相关构形飞行器的弹道与激光器工作模式设计提供参考。     

弹性飞行器非定常气动力的递推识别

本文提出了一种识别弹性飞行器非定常气动力的滤波递推方法。该法由飞行试验数据识别出各气动指示函数的时域离散值,若经适当拟合处理,可为弹性飞行器动态分析提供较为理想的非定常气动模态。对某飞行器进行初步试算的结果表明,该方法所需数据易于采集,计算不十分繁杂,所得结果较好。     

基于Kriging形函数的线性时变结构模态参数辨识

近年来,对航空航天飞行器随时间变化的动力学特性研究需求越来越迫切。仅输出参数化时域的时变时间序列模型以其结构简约、精度高且跟踪能力强而成为研究热点,尤其是泛函向量时变自回归(FS-VTAR)模型已经得到了广泛应用。然而传统的FS-VTAR模型在保证其辨识优势的同时却需要针对不同时变结构选择合适的基函数形式及较高的基函数阶数,该过程相当复杂且耗时。本文借鉴无网格法中移动最小二乘(MLS)法构造形函数的思想,提出一种基于Kriging形函数的线性时变结构模态参数辨识方法。该方法首先引入自适应于辨识信号的Kriging形函数;再把时变系数在形函数上线性展开,利用最小二乘(LS)法得到形函数的展开系数;最后把时变模型特征方程转换为广义特征值问题提取出模态参数。利用时变刚度系统非平稳振动信号验证该方法,结果表明:基于Kriging形函数的FS-VTAR模型相比于传统的FS-VTAR模型能有效地避免基函数形式的选择和较高的基函数阶数,且精度相当;相比于移动最小二乘法能有效地解决其数值条件问题且具有更高的模态参数辨识精度。     

Identification of nonlinear flight dynamics: theory and practice

This article presents an innovative time-domain nonlinear mapping-based identification method. The method reported is applied to identify the unknown parameters of multivariable dynamic systems which are mapped by nonlinear differential equations. A systematic identification method is introduced, and a novel algorithm is developed using nonlinear error maps. An analysis of parameter convergence is provided and the regions of convergence can be found using the second method of Lyapunov. Innovative nonquadratic Lyapunov functions are designed and used. Analytical and numerical studies are performed to illustrate and validate the identification concept. The unsteady flight of a high-alpha aircraft in the longitudinal axis is chosen as a nonlinear case study. The unknown parameters are identified. Simulation results show that the model dynamics match the experimental data. The reported example demonstrates that the time-domain nonlinear mapping-based identification method ensures robustness and reduces major shortcomings in stability, convergence, and computational efficiency compared with other algorithms available     

Longitudinal parameter identification of a small unmanned aerial vehicle based on modified particle swarm optimization

This paper describes a longitudinal parameter identification procedure for a small unmanned aerial vehicle(UAV)through modified particle swam optimization(PSO).The procedure is demonstrated using a small UAV equipped with only an micro-electro-mechanical systems(MEMS)inertial measuring element and a global positioning system(GPS)receiver to provide test information.A small UAV longitudinal parameter mathematical model is derived and the modified method is proposed based on PSO with selective particle regeneration(SRPSO).Once modified PSO is applied to the mathematical model,the simulation results show that the mathematical model is correct,and aerodynamic parameters and coefficients of the propeller can be identified accurately.Results are compared with those of PSO and SRPSO and the comparison shows that the proposed method is more robust and faster than the other methods for the longitudinal parameter identification of the small UAV.Some parameter identification results are affected slightly by noise,but the identification results are very good overall.Eventually,experimental validation is employed to test the proposed method,which demonstrates the usefulness of this method.     

基于ODE参数辨识的液压伺服系统灰箱建模

 针对液压伺服系统常规"白箱"建模由于参数无法精确获得导致所得模型精度不高及"黑箱"建模所得模型内部结构未知的问题,本文提出基于ODE参数辨识的液压伺服系统"灰箱"建模。首先,建立了工程上实用的系统状态空间模型, 根据系统特征确定了待辨识参数,将模型辨识问题转化为常微分方程(ODE)参数辨识问题;然后,采用正弦扫频信号作为激励信号和基于带边界约束的信赖域优化算法的初值问题方法进行参数辨识;为了和ODE参数辨识结果进行对比,本文同时采用系统的频率响应数据和最小二乘法辨识得到系统的"黑箱"传递函数模型;最后,通过大量实验验证了辨识模型的精确度。实验结果表明,本文提出的基于信赖域算法的液压伺服系统模型辨识方法可以有效处理参数的边界问题,使辨识模型既具有实际的物理意义,又与实际系统高度符合。     

一种基于在线辨识和专家系统的飞行器智能姿态控制方法

针对未来战场形势对攻击型飞行器提出的大包线飞行、大不确定、主动容错控制问题,提出了一种基于在线辨识和专家系统的智能姿态控制方法。该方法通过在线估计飞行器的时域、频域关键参数,驱动专家系统实时计算并调整控制器参数;结合时域、频域辨识结果诊断、定位故障,实现故障隔离、控制策略调整。该方法综合了飞行器结构、气动试验数据和专家知识,通过在线辨识和估计丰富了专家系统推理计算所需信息,促进了专家系统的在线应用,是一种近期可实现的智能控制方法。仿真结果表明,采用该方法,姿态发散概率由无容错控制时的45%降低到容错控制时的0%,姿态控制任务完成率100%。     

极大似然法及在有控飞行器气动参数辨识中的应用

 <正> 一、引言 飞行器气动参数辨识作为系统辨识理论在航空、宇航领域的应用分支,在一些发达国 家受到了相当的重视,并且从70年代以来已形成了气动参数辨识软件包,不仅缩短了飞行器的设计、改型及性能分析的周期,并且还具有靠风洞实验或理论分析所不具备的优点。目前飞行器的气动参数辨识虽已有很大发展,但是对有控飞行器的闭环辨识问题仍未解决,分析传感器非线性因素对气动参数辨识结果的影响也不够深入。本文使用极大似然法,结合某有控飞行器的全弹道仿真数据,研究了在闭环飞行状态下进行气动参数辨识所存在的问题,分析了传感器的非线性因素对气动参数辨识的影响。     

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

飞行控制系统（FCS）与计算流体力学（CFD）的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程（RBD）以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。     

飞行器RCS控制力矩辨识方法研究

对于依靠RCS(反作用控制系统)进行控制的返回舱等跨大气层飞行器,如何获得其在真实飞行条件下RCS的控制力矩一直是一个难题。本文提出了采用系统辨识技术得到RCS控制力矩的思路,研究建立了基于最大似然准则和牛顿-拉夫逊迭代算法的参数辨识算法模型。仿真辨识及对某飞船返回舱实际飞行数据的辨识结果表明,本文建立的方法是有效的,利用其能够对飞行器的气动力矩和RCS控制力矩同时进行有效辨识。     

基于智能复合结构的可靠性分布模式自动识别

 采用Vor onoi 向量对SOM 网络算法进行了改进, 提高了学习收敛速度。通过提取数据的统计特征,建立了可靠性分布模式自动识别样本。提出的智能自动识别模型分两层, 在SOM 网络层对概率分布模式进行自动聚类, 在支持向量机层对各聚类组进行分类学习和识别, 获得识别模型的双层记忆权值。最后采用模型对常用可靠性分布模式进行了自动识别研究。测试结果表明, 建立的可靠性分布模式自动识别模型是可行、有效的。     

Analytical study of the FV atmospheric flight dynamics under propulsive engine control

A mathematical model of the atmospheric flight of a flight vehicle being controlled by small propulsive engines is presented. The analytical solutions of differential equations are obtained for the approximate calculation of kinematic parameters in the steady-state motions. The flight dynamics and control are studied under conditions of nose lift and diving. The results are suitable for the choice of design FV parameters and synthesis of onboard algorithms of control and parametric identification.     

基于模型管理框架的机翼结构多目标优化设计

采用演化算法对某高空长航时无人机机翼结构进行多目标优化设计时,由于需要大量的演化迭代和很多次的有限元分析计算,使演化算法相当耗时.为了提高效率,采用模型管理框架对该机翼结构进行多目标优化设计.采用模型管理框架可以建立满足精度要求的目标及约束的近似模型,使演化算法不仅避免了大量的有限元分析计算,而且获得了满意的该高空长航时无人机机翼结构的多目标优化设计结果.     

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

采用工作模态识别法进行模态分析

对于一些大型工作结构 ,有时很难测得输入信号 ,只能单独利用实测响应数据进行工作模态识别。本文针对工程实际中的这一情况 ,首先利用响应间互相关函数同脉冲响应函数在表达形式上的相似性 ,推导出了多参考点时域工作模态复指数法 ,继而又从响应间的互相关函数入手 ,推导出了多参考点频域工作模态识别法。最后采用一飞机模型对这两种方法进行了试验验证 ,并将所得结果做了对比分析 ,结果表明 ,两种多参考点方法都能较有效地单独从实测响应数据提取结构的模态参数 ,且频域工作模态识别法比时域工作模态复指数法识别精度更高。     

基于样条函数的涡轮发动机平衡流形模型展开辨识方法

多项式表示的涡轮发动机平衡流形往往存在偏差,会使辨识的动态参数不太准确。应用样条函数来表示平衡流形展开模型的相应参数,解决了区域内的动、静态参数关系和区域间参数的连续条件构造的辨识问题;以涡喷发动机辨识算例证明了该方法的有效性。