倾转旋翼飞行器旋翼对机翼向下载荷计算模型

针对倾转旋翼飞行器悬停和小速度前飞的直升机飞行模式下旋翼下洗流对机翼的气动干扰影响,建立了一个机翼向下载荷的计算模型.该模型中,最关键的是建立旋翼对机翼的气动干扰面积模型.此模型考虑了倾转旋翼飞行器几何尺寸条件、发动机短舱倾转角和飞行状态等参数.最后将此模型集成到XV-15倾转旋翼飞行器飞行动力学模型中,进行配平计算,...     

XV-15倾转旋翼飞机飞行控制系统概述

XV-15倾转旋翼飞机兼有直升机垂直起降、空中悬停及固定翼飞机高速巡航的优点，因而在军用和民用飞机中有着广泛的应用前景。XV-15的机体结构和普通飞机一样，但在翼尖安装可以倾转的发动机短舱和旋翼。该飞机控制系统结合旋翼控制和固定翼控制，通过自动控制系统和推力管理系统来辅助飞行员对飞机的控制。主要介绍了主飞行控制系统和辅助控制系统的控制特点。     

旋翼滑流对倾转旋翼机飞机模式下气动特性的影响

建立了考虑旋翼桨叶形状、桨叶片数、桨距和转速等因素的等效桨盘模型,该模型中桨叶对气流的作用被等效为时间平均的源项添加到控制方程中,并通过两个算例验证了模型的有效性。对V-22倾转旋翼机飞机模式高速巡航状态下的全机三维流场进行了数值模拟,分析了旋翼流场特征,定量给出了滑流对气动力系数的影响量。计算结果表明:旋翼滑流明显改变了机翼表面的压力分布,使全机升力系数增大,最大升力系数增量为4.6%;0°迎角下滑流使阻力系数减小了29%,而4°迎角后,滑流使得阻力系数增大,在14°时增量达到了32%;俯仰力矩系数的变化量为4.6%。进一步研究发现,滑流对平尾下表面压力系数分布产生较大影响,而对垂尾影响则较小。      

适用于倾转旋翼机气动分析的新型嵌套网格方法

为克服围绕复杂倾转旋翼机生成高质量一体化结构网格的困难,将分块网格策略与嵌套网格方法融合,提出并建立了一套适用于倾转旋翼机气动干扰分析的新型嵌套网格生成方法。该方法中,将整体网格按照倾转旋翼机结构特性进行了分块生成,在保证插值精度的基础上降低了网格规模。为高效连接不同部件网格,首先,引入Inverse Map方法来辅助部件网格定位,采用新颖的多向投影方法保证了部件间洞边界的连续性;其次,基于独立挖洞嵌套策略完成机身与背景网格的组合,并使用了相应的辅助计算坐标进行背景边界网格标识。在贴体网格区域采用基于S A（Spalart Allmaras）湍流模型可压缩RANS(雷诺平均Navier Stokes）方程求解流场,背景网格区域采用欧拉方程,并运用了SPMD(single program, multiple data)模式的并行加速技术,建立了适合倾转旋翼机气动干扰特性分析的高效混合CFD方法。采用Robin直升机机身作为数值算例,验证了CFD方法的有效性。在此基础上着重对倾转旋翼机在悬停、过渡和前飞巡航模式下的干扰流场进行了数值分析研究,分别得出了悬停状态下倾转旋翼机典型的“喷泉效应”干扰现象、过渡状态下的非定常气动干扰特性以及巡航状态下的部件气动变化特性,计算结果表明建立的新型嵌套网格方法能够较好地表征倾转旋翼机外形特性,并能够有效地用于倾转旋翼机的气动特性分析,加速比能超过5.0。      

基于非线性优化控制理论的民机失速恢复控制

民用飞机在进入大迎角浅失速后,气动力会出现滞环、陡降等强非线性现象,航迹也变得不稳定。为解决上述问题,利用分支分析方法分析飞机临近失速区时的控制特点,指出其振荡区域,多配平点等;根据非线性最优化控制理论,设计大迎角失速区的自动恢复控制器,用Galerkin近似算法,计算次优控制器参数,并对飞机下降航迹的进入失速和恢复进行仿真验证。结果表明：控制器可以很好地控制飞机改出浅失速状态,恢复正常航迹。     

Closed-loop dynamic control allocation for aircraft with multiple actuators

A closed-loop control allocation method is proposed for a class of aircraft with multiple actuators. Nonlinear dynamic inversion is used to design the baseline attitude controller and derive the desired moment increment. And a feedback loop for the moment increment produced by the deflections of actuators is added to the angular rate loop, then the error between the desired and actual moment increment is the input of the dynamic control allocation. Subsequently, the stability of the closed-loop dynamic control allocation system is analyzed in detail. Especially, the closedloop system stability is also analyzed in the presence of two types of actuator failures: loss of effectiveness and lock-in-place actuator failures, where a fault detection subsystem to identify the actuator failures is absent. Finally, the proposed method is applied to a canard rotor/wing (CRW) aircraft model in fixed-wing mode, which has multiple actuators for flight control. The nonlinear simulation demonstrates that this method can guarantee the stability and tracking performance whether the actuators are healthy or fail.     

Sliding mode control design for oblique wing aircraft in wing skewing process

When the wing of Oblique Wing Aircraft (OWA) is skewed, the center of gravity, inertia and aerodynamic characteristics of the aircraft all significantly change, causing an undesirable flight dynamic response, affecting the flying qualities, and even endangering the flight safety. In this study, the dynamic response of an OWA in the wing skewing process is simulated, showing that the three-axis movements of the OWA are highly coupled and present nonlinear characteristics during the wing skewing. As the roll control efficiency of the aileron decreases due to the shortened control arm in an oblique configuration, the all-moving horizontal tail is used for additional roll and the control allocation is performed based on minimum control energy. Given the properties of pitch-roll-yaw coupling and control input and state coupling, and the difficulty of establishing an accurate aerodynamic model in the wing skewing process due to unsteady aerodynamic force, a multi-loop sliding mode controller is formulated by the time-scale separation method. The closed-loop simulation results show that the asymmetric aerodynamics can be balanced and that the velocity and altitude of the aircraft maintain stable, which means that a smooth transition is obtained during the OWA’s wing skewing.     

航空发动机性能恢复控制方法

针对航空发动机部件蜕化导致性能变差问题,设计了航空发动机性能恢复控制系统,系统根据发动机的工作状态以及健康状态在常规转速控制模式、稳态性能恢复控制模式和加速性能恢复控制模式之间切换.稳态性能恢复控制模式在常规转速控制模式的基础上设计了一个外环控制回路,通过自适应修正稳定状态下压气机转速指令达到蜕化发动机性能恢复的目的;加速性能恢复控制模式通过综合常规转速控制方法和喘振裕度控制方法,在保证发动机气动稳定的同时,充分挖掘发动机潜力,从而达到恢复蜕化发动机加速性能的目的.通过不同状态不同部件蜕化下的仿真结果表明恢复蜕化发动机性能的有效性.      

多操纵面飞机交叉耦合控制分配方法

针对操纵面交叉耦合效应下指令分配不精准的问题,基于序列二次规划提出了一种多操纵面非线性控制分配方法.在舵效线性条件下,引入虚拟控制指令建立了线性控制分配模型;考虑操纵面舵效交叉耦合非线性特征,以最小操纵面偏量为优化目标设计了交叉耦合控制分配器;采用修正BFGS算法改进序列二次规划,有效地求解了交叉耦合控制分配指令.仿真结果表明,所提出的方法能够合理利用所有操纵面并实现精确分配.     

基于能量的飞机横侧向控制方法研究

结合偏差控制与总能量解耦思想,将总能量控制原理应用于飞机的横侧向控制,实现了滚转与偏航模态解耦及偏航角、侧滑角的无稳差控制。对某型运输机典型飞行状态进行了横侧向解耦控制律设计和仿真,仿真结果表明,基于飞机纵向总能量控制同样能用于飞机的横侧向飞行控制,较好地实现了偏航角和侧滑角的信号跟踪及滚转与偏航模态的解耦。     

Flexible aircraft model identification for control law design

The large commercial aircraft, developed today by manufacturers, are characterized by a high flexibility which results in a stronger interaction between the flight control system and the structural modes. The active control of the first elastic modes is needed to meet the performance requirements. This paper proposes an identification methodology of a flexible aircraft from flight test data, which is appropriate for control law design with modern control techniques (LQG, H2/H∞). In a first step a procedure based on Eigensystem Realization Algorithm (ERA) is used to determine an initial aeroelastic model which is subsequently combined with a linearized rigid-body model and optimized by an output-error minimization method. Two application examples show the good performances of the approach.     

倾转四旋翼飞行器直升机模式操纵策略研究

由于倾转四旋翼飞行器具有特殊的构型,针对直升机模式下的操纵策略,建立了样机的非线性飞行动力学模型并结合试验数据进行了验证,提出了适用于直升机模式的四种操纵方式,对比了不同操纵方式相应的配平值、操纵功效及操纵耦合,随后确定了一组相对合理的操纵方式,解决了倾转四旋翼飞行器在直升机模式下操纵冗余的问题。分析了重心位置对所确定操纵方式的配平特性和操纵功效的影响。结果表明:纵横向通道下总距差动引起的操纵功效比周期变距联动大得多;偏航通道下周期变距差动引起的操纵功效大于总距差动,横向周期变距差动引起的交叉耦合小于纵向周期变距差动;正常重心位置所得到的配平量和交叉耦合最小。      

推力协同的大柔性飞行器纵向姿态控制

为了研究大柔性飞行器飞行/结构耦合动力学特性,提出了改进的面向控制的大柔性飞行器多体模型,开展了大柔性飞行器纵向动力学耦合特性分析与推力协同下纵向姿态控制律设计。采用二面角动态近似描述大柔性飞行器结构动力学特征,并推导了纵向耦合动力学模型。根据改进模型在配平点处的线性化模型,分析了飞行/结构耦合系统的纵向稳定性与结构变形量之间的关系。针对大柔性飞行器姿态稳定与跟踪,设计了纵向姿态控制器。与常规飞行器相比,大柔性飞行器飞行过程中会发生大变形,当载荷较大时,配平构型近似“U”形,此时纵向动力学具有长周期不稳定的特征。分析结果表明:大柔性飞行器各模态之间的耦合程度随着变形的增大而增大。此外,纵向姿态控制需要升降舵与推力协同控制速度和俯仰角并且考虑结构动力学的影响,否则飞行/结构的耦合作用会导致姿态跟踪误差衰减缓慢甚至发散。      

舰载机人工进场着舰精确轨迹控制技术

进场着舰精确轨迹控制是舰载机设计的难点和关键技术之一。首先,对舰载机人工进场着舰轨迹及精确轨迹控制的应用需求进行了讨论,指出其必要性和直观的有益效果;随后,讨论了舰载机进场着舰精确轨迹控制的演变过程、发展趋势及涉及的等角下滑航迹率控制技术、进场动力补偿技术、直接力控制技术、DP（Delta flight Path）控制技术等关键技术;最后,讨论了舰载机进场着舰精确轨迹控制对减轻驾驶员操纵负担、降低触舰点分散度、减小触舰载荷等方面的收益。研究工作对舰载机的精确轨迹着舰控制系统设计具有一定的工程指导价值。     

基于滚动时域的舰载机甲板运动轨迹跟踪最优控制

针对单机滑行、无杆牵引系统以及有杆牵引系统的轨迹跟踪问题进行了研究。首先,将这3种系统的轨迹跟踪问题转化为最优控制问题,并建立了连续非线性舰载机系统的轨迹跟踪模型。然后,基于第3类生成函数,提出了适用范围更广的全状态保辛伪谱算法,并结合滚动时域理论提出了基于滚动时域（RHC）的在线跟踪最优控制方法,证明了所提算法是一种保辛算法。基于所提出的在线跟踪算法,对单机滑行、无杆牵引系统、有杆牵引系统在存在初始偏差和持续外界扰动情况下的轨迹跟踪问题分别进行了研究,并与BackwardSweep方法进行对比分析,结果表明本文所提出的跟踪算法可以有效地解决具有控制约束和状态约束的轨迹跟踪问题,并可以更高的跟踪精度和计算效率对标准轨迹进行跟踪,可完全满足实时跟踪的要求。最后,分别从初始偏差和持续外界扰动的角度研究了这3种不同方式的跟踪特性。     

Integrated fault estimation and fault-tolerant control for a flexible regional aircraft

The article focuses on the design and application of an active reconfigurable controller that mitigates the effects of gust load and actuator faults on a flexible aircraft. A novel integrated adaptive output feedback scheme is investigated to address the actuator faults. The real-time fault values provided by the fault estimation module are considered in the reconfigurable control law to improve the fault-tolerant capability. The estimate values of faults and control gains are calculated by anal...     

STOVL飞机发动机多变量控制方法

短距起飞/垂直降落（STOVL）飞机发动机已采用多变量控制方法。基于鲁棒稳定性和条件数分析、块相对增益矩阵分析,对STOVL飞机发动机不同工作模式下的三变量控制系统输出选择和控制结构设计进行了研究。对常规工作模式,提出了基于多目标优化的三变量分块解耦控制方法,通过定义最优指标实现动态跟踪和分块间的耦合抑制。对常规工作模式和垂直起降工作模式间的切换,提出基于升力风扇功率前馈的复合控制方法,以消除负载变化对系统性能的影响。仿真结果表明:提出的控制方法能够保证常规工作模式下良好的解耦控制效果,能够实现不同工作模式间的平稳过渡,验证了控制方法的可行性。      

基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法

为校正中机身壁板由于重力和调姿内力产生的变形,提高中机身壁板装配调姿精度,提出了一种基于力位协同控制的装配调姿方法。通过将调姿机构等效为并联机构,推导了调姿机构的解析正反解模型;根据螺旋理论,建立了力传感器测量值与重力、调姿内力之间的映射关系,实现重力补偿值的动态计算,基于局部刚体-弹性连接假设,通过多元线性回归方法构建了调姿内力转化为位置补偿量的模型;根据Clamped-Free变形协调原理,简化了定位器调姿内力之间的协调关系,在此基础上提出了重力前馈补偿和调姿内力转化为位置补偿的力位协同控制策略,并对其进行了理论分析与设计。最后,对所提出的控制策略进行了仿真分析,结果表明采用力位协同控制方法,调姿定位精度提高35.3%,调姿内力降低77.8%,通过应用实验,说明了该方法的可行性和有效性。     

基于Kalman滤波的变体飞行器T-S模糊控制

针对变体飞行器的跟踪控制问题,提出了一种基于Kalman滤波的T-S模糊控制方法。考虑飞行器系统状态不可测,引入惯导数据作为辅助信息,利用Kalman滤波算法融合飞控信息与惯导信息实现状态估计。由于变体飞行器在不同变形结构下气动特性变化较大,为便于控制器设计,采用小扰动线性化方法得到飞行器在不同平衡点处的局部线性模型,并通过状态反馈方法设计局部控制器,局部线性模型和局部控制器通过模糊集和模糊规则聚合成一个连续光滑的全局T-S模糊模型和T-S模糊控制器。通过综合Kalman滤波器与T-S模糊控制器得到一个基于Kalman滤波的T-S模糊控制器。仿真结果表明,该控制器在变形过程中能够实现状态估计,保证飞机的跟踪性能。     

应用于飞机装配的并联机构技术发展综述

并联机构的闭链结构使其具有良好的精度、刚性及动态性能,可满足飞机装配的精度、效率需求,因此,以并联机构为构型主体的自动化装配装备正越来越多地应用于飞机装配中。首先,概述了当前并联机构发展现状及飞机装配体现出的新特点,分析了并联机构应用于飞机装配的优势。其次,从飞机装配零部件加工和飞机零部件装配调姿定位两个方面综述了应用于飞机装配并联机构的国内外发展现状。然后,探讨了并联机构主要的前沿研究问题,从并联机构可重构设计、性能评价及优化设计、精度建模和力/位协同控制等4个方面,详细分析了并联机构应用于飞机装配中的关键技术。最后,对并联机构应用在飞机装配中未来的发展方向和机遇做了展望。