宽频高幅值水力激振信号的产生与控制

为了研究火箭发动机全尺寸泵后供应系统的动力学特性,运用脉动压力发生器设计了一种宽频水力激振系统,开展了液流试验和数据分析。结果表明:水力激振系统可以在0~1200Hz的频率范围内,产生时域幅值超过1.5MPa、高信噪比的压力脉动信号,达到了宽频率范围、高激励幅值的目的。通过对电动机转速的控制实现激励频率的可控变化,以满足不同频率激励策略的要求。提高管路系统的入口稳态压力,可以提高激振信号的幅值。通过合适的局部流阻分布,可以在宽频范围内提高水力激振信号的幅值,提高信噪比。      

机翼跨声速抖振研究进展

跨声速飞行中,激波附面层干扰会引起激波周期性自激振荡,这种现象称之为跨声速抖振。跨声速抖振引起的脉动载荷有可能造成结构疲劳甚至引发飞行事故,该问题一直是航空领域的研究难点。本文从风洞试验和数值模拟两个方面总结了跨声速抖振研究的主要方法,重点综述了近几年在跨声速抖振机理研究方面以及结构运动对抖振响应特性的影响方面取得的新进展,简要总结了跨声速抖振的被动控制及主动控制方法。在此基础上,提出了跨声速抖振后续研究的重点方向:抖振机理的进一步探究,结构弹性特征对抖振特性的影响以及闭环主动控制等。     

风洞试验中测压管路信号畸变及修正研究

采用分布摩擦模型和试验方法分析了简单测压管路系统的信号畸变,分析了数学方法和机械方法修正测试信号的优缺点;讨论了不同参数对管路系统传递函数的影响,同时说明了试验中常见管路连接、弯折、挤压对管路系统的影响,提出了合理利用管路共振效应提高测试数据信噪比的思想,并基于此提出了管路系统的选择及定量的评价准则。结果表明：采用分布摩擦模型理论修正测压管路系统脉动畸变信号是可行的;管路等内径连接、轻度弯折、轻度挤压不会对管路的传递函数造成影响;通过笔者提出的定量评价标准可以高效的选取合理的管路长度。     

基于谐振舵面的跨声速抖振抑制探究

跨声速抖振引起的非定常脉动载荷会造成飞行器结构疲劳甚至引发飞行事故,所以跨声速抖振的控制研究逐渐成为航空领域的热点。采用基于Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型的非定常雷诺平均方程开展了基于谐振舵面的跨声速抖振抑制研究。首先验证静止NACA0012翼型的抖振边界和频率特性,然后分别从舵偏平衡位置、舵偏幅值、频率以及相角等角度研究了谐振舵面的控制效果。舵偏平衡位置等效于减小了翼型的有效迎角;幅值和频率对抖振抑制效果影响较大,当舵面振荡频率与抖振频率接近时发生共振现象;相角对控制效果有一定影响,在270°相角附近,升力系数幅值减小了60%。在合适的舵偏幅值、频率以及相角组合下,谐振舵面有可能成为跨声速抖振的有效开环控制策略。     

发动机泵后管路-汽蚀管系统水力激振试验

为了研究火箭发动机泵后管路-汽蚀管系统动力学特性,开展水力激振试验。在汽蚀管下游引入水力激振信号,测量供应管路和推力室头腔的脉动压力,建立描述系统动力学特性的传递函数。结果表明:该系统主要表现出1阶谐振特征,高阶谐振峰不明显。在谐振频率下,汽蚀管出口至氧主阀之间管路上脉动压力的幅值整体较高,脉动压力幅值沿流向逐步增大;经过氧主阀后,压力振荡幅值沿流向快速降低。发现了压力脉动通过此汽蚀管向上游传播的现象:即使汽蚀管处于汽蚀状态,仍存在部分压力脉动通过汽蚀管逆向传播至上游管路;而汽蚀管对整个管路仍然起到了明显的隔振效果。在过大的汽蚀裕度下,汽蚀管出口由声学闭端边界逐渐向声学开端边界转变。      

基于陷波器的心冲击信号提取电路设计

心冲击(BCG)信号可用于航天员心率监测,针对现有BCG采集电路无法有效去除呼吸干扰的问题,设计了中心频率为0.3 Hz的双T型陷波器,利用陷波器幅频特性抑制频带较窄且幅度较大的呼吸信号,以实现BCG信号的有效分离。通过加入电压跟随器提高陷波器品质因数Q值,设计电位器控制陷波器带阻滤波的频带宽度和Q值高低,可达到动态调节滤波效果。采集6名健康男性志愿者平卧位的BCG信号数据,通过峰值检测即可有效提取心率,无体动干扰的数据段滤除呼吸波后BCG信号平均J波识别准确率达到99.12%。结果表明:提出的方法可有效抑制呼吸信号,实现BCG信号的前端分离和充分放大,以应用于航天员实时心率监测中。     

弹性高超声速飞行器振动抑制的自适应控制方法

为抑制弹性高超声速飞行器的结构弹性振动,提出了一种基于自适应结构陷波器的自适应控制方法。该方法利用输入指令和传感器输出的采样信号,采用滚动时域最小二乘方法在线估计振动频率,并用于实时更新滤波器的中心频率,以抑制气动弹性对控制的不利影响,保证控制系统稳定。仿真结果表明,相较最小二乘法,滚动时域最小二乘法的估计更准确且收敛更快,自适应控制方法能够稳定地跟踪控制指令,避免了不稳定现象的发生。     

飞机28MPa液压系统压力脉动控制标准研究

通对飞机28MPa的液压系统进行理论分析和试验研究,找到有效控制飞机液压系统压力脉动的方法和措施,提出适用的飞机液压系统压力脉动的控制标准,为我国飞机28MPa液压系统研制提供技术支持.     

基于经验模态分解的燃烧不稳定性分析

实验研究了在常温常压条件下贫燃预混旋流火焰的燃烧不稳定性,发生燃烧不稳定性时其压力脉动表现为非平稳信号.利用一种基于经验模态分解(EMD)的希尔伯特-黄变换(HHT)算法对在当量比分别为0.71和0.80工况下的压力脉动信号进行了时频分析.针对压力脉动信号进行经验模态分解,选取主要的固有模态函数(IMF),对IMF通过HHT变换得到瞬时频率并进行统计分析.结果表明:在当量比为0.71时,压力信号呈间歇式的脉动,其振型为拍振;在当量比为0.80时,脉动压力信号则呈现出极限环振型.在基于EMD的HHT变换中,IMF体现了燃烧不稳定性的固有模态且具有自适应性强的特点.      

用于直升机振动控制的主动调谐式吸振器研究

振动问题是直升机设计中的难题,会导致机体结构疲劳、舒适性降低和高噪声等问题。通常的单桨叶控制方案由于受压电驱动器机电性能的限制而难以实现。智能弹簧是一种采用单桨叶控制原理的主动调谐式吸振器,它通过压电驱动器自适应控制桨叶根部的结构阻抗,达到振动控制目的。建立了智能弹簧的简化模型,对其谐波响应控制特性进行研究;采用频率分析和数字信号合成技术产生参考信号,在DSP平台上设计自适应陷波算法对智能弹簧驱动器组件进行控制;模拟和风洞实验结果均表明智能弹簧能够在较宽频率范围内对桨叶的谐波响应进行有效控制,验证了通过主动阻抗控制实现直升机桨叶振动控制的可行性。     

柔性航天器振动主动抑制及姿态控制

针对柔性航天器柔性附件振动主动抑制及姿态高精度快速稳定问题,研究了一种输入成形器（IS）-自适应有限时间干扰观测器（FDO）-有限时间积分滑模控制器综合的设计方法。首先,基于柔性模态的频率及阻尼信息,获得能够有效抑制柔性振动的输入成形器形式,并与系统参考输入进行卷积,得到期望参考输入;其次,基于航天器动力学模型,设计一种新型的自适应有限时间干扰观测器,避免了综合干扰上界必须已知的约束,且保证干扰估计误差有限时间收敛至零,实现对干扰及残余振动影响的快速精确估计;最后,基于观测器的估计值,设计多变量有限时间积分滑模控制器,保证对期望参考输入的高精度快速跟踪控制,并进行严格的稳定性证明。仿真结果表明,该综合设计策略能够保证柔性附件振动抑制75%,姿态稳定度达到10^-4数量级。     

基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振系统

随着遥感卫星光学成像设备等精度的不断提升,其对振动环境的要求也在不断提高,简单的线性被动Stewart平台已经无法满足苛刻使用要求。提出了一种新型基于多边形膜片弹簧与压电致动器复合的一体化主被动Stewart减振平台,其单自由度元件主要由多边形膜片弹簧、压电致动器、力传感器以及柔性铰链组成。相较于传统线性隔振器存在的高静刚度和低动刚度之间的固有结构矛盾,所提出的多边形膜片弹簧作为隔振器的关键原件,兼具高静-低动（HSLD）特性,能够使隔振系统同时具备较高的静态刚度进行静态承载以及较低的动刚度进行动态减振。为了降低被动隔振系统中存在的共振峰幅值,本文在被动膜片弹簧元件的基础上串联一个压电致动器与力传感器组成的主动控制元件进行主动振动控制。仿真结果表明,采用比例积分力（PIF）反馈控制算法的主动控制系统,在频域上不仅可以通过积分力环节搭建出天棚阻尼的效果来降低共振峰峰值（11.19 dB）,而且其比例-力环节可等效为增大了质量矩阵项,能够有效降低减振系统的固有频率（20.9 Hz）,拓宽其减振带宽,并同时能维持高频段的高衰减性,在时域上也能够将系统的加速度振动幅值从±0.6g降低至±0.07g,振动衰减达88%。     

磁致伸缩材料作动器用于主动振动控制的实验研究

对采用磁致伸缩材料作动器进行主动振动控制的问题进行了实时实验研究。首先简介了磁致伸缩材料作动器的设计和特性分析及自适应滤波算法(LMS)的基本原理;然后论述了采用磁致伸缩材料作动器的单自由度主动振动控制实验的系统,从不同的控制物理量、不同算法、偏置磁场和系统噪声等方面分析了影响控制效果的因素,实验获得了30dB的减振效果。      

自适应结构仿人智能控制实验研究

针对大型空间结构,基于MATLAB/dSPACE综合实验环境建立了以压电堆式主动构件为作动器的自适应桁架结构主动振动控制平台,进行了仿人智能控制实验研究.结果表明仿人智能控制可有效地用于压电自适应结构的振动控制,较好地解决了控制准确性与快速性之间的矛盾,使得四棱柱桁架在典型低频谐振频率持续激励时振幅降低90%以上,随机冲击衰减时间减少90%以上,且在扫频和混频激励下也取得良好的控制效果.     

航空液压泵脉动压力的解析表达与级数展开

为了深入研究航空液压泵输出油液的脉动压力特性,以航空液压柱塞泵为研究对象,分析了柱塞泵运动和体积流量脉动的成因,推导了柱塞泵排油口的体积流量脉动函数表达式,建立了油液压力与体积流量脉动函数之间的联系,并采用傅里叶级数模拟了与实验数据吻合的多级脉动压力曲线。结果表明：模拟脉动压力曲线与实验数据基频、2倍频的相对误差均在5%以内,基频及2倍频处的压力幅值的相对误差均在1%以内,使用包含基频与2倍频的级数近似可以描绘航空液压柱塞泵出口处周期脉动压力的主要特征。研究结果为进行飞机液压系统管路结构的流固耦合振动仿真提供了载荷输入依据。     

磁悬浮柔性转子系统变学习速率单神经元PID控制

磁悬浮轴承柔性转子系统的转速范围较大,固定的控制参数很难同时保证系统所需的低频和高频特性。本文在一般单神经元PID控制的基础上,将转速信号引入磁悬浮轴承数字控制器,在不同转速段选择不同的学习速率以调节控制参数得到合适的磁悬浮轴承的刚度和阻尼。试验结果表明,变学习速率单神经元自适应PID控制能够明显减小转子在各阶临界转速时的振幅,有助于磁悬浮轴承柔性转子系统的安全稳定运行。     

RANS/LES在超声速突起物绕流中的应用研究

安装在超声速/高超声速飞行器表面的突起物如机翼、控制舵等通常会导致复杂的激波/边界层干扰,对突起物的局部气动特性甚至飞行器整体的气动特性产生较大的扰动.在采用计算流体力学(CFD)数值模拟此类问题时,传统的求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程方法由于不能准确预测湍流脉动流场并且精度有限,在应用上受到一定的限制.本文在研究B-L (Baldwin-Lomax)内层模型和Smagorinsky亚格子模型优缺点的基础上,提出了一种新型的RANS/LES(Large Eddy Simulation)混合模型,并进行了算例验证,证实了该方法的可行性.在此基础上,对火箭表面突起物的干扰流场进行了数值模拟研究,细致地刻画了突起物附近的激波/边界层干扰、剪切层失稳和底部分离涡形成的非定常过程,获得了突起物及火箭表面上的压力脉动历程并进行了频谱分析.研究发现,相对于突起物底部的非定常分离流动,突起物前缘的激波和边界层相互干扰的非定常过程是突起物周围压力脉动的主导因素,这种高频的压力脉动可能对火箭内设备的正常工作产生不利的影响.     

直升机结构响应自适应控制研究

研究了基于自适应滤波技术、采用伺服惯性力发生器（SIFG）的直升机结构响应主动控制;比较了被动动力吸振器和SIFG的减振效果。研究表明,SIFG在直升机前飞速度和旋翼转速及前飞速度改变的情况下均能保持良好的减振效果。     

自适应桁架结构振动控制中主动构件的最优配置

主动构件的最优配置对于自适应桁架结构的设计和振动控制十分重要。为了确定主动构件在自适应桁架结构中的配置,通过引入闭环模态耗散能因子概念,来评价主动构件在结构振动阻尼控制中引入的结构模态主动阻尼的相对大小,由此建立主动构件配置多目标优化问题,并通过一平面自适应桁架结构优化数值计算,说明了该优化配置方法的正确性和有效性