弹性机翼阵风减缓控制策略风洞试验

介绍了2种用于弹性机翼阵风减缓的控制策略。第1种控制策略是模态阻尼增强的阵风减缓（MDEGA）,通过反馈翼尖振动速度驱动副翼做卸载偏转,从而减缓机翼的动载荷及振动。第2种控制策略是基于阵风感知的阵风抑制（GSBGS）,由阵风探测器感知阵风速度并前馈给副翼做出偏转,利用副翼操纵力抵消阵风载荷。为验证2种控制策略的实施效果,以某弹性飞机缩比模型的大展弦比机翼为研究对象,进行了阵风载荷减缓原理风洞试验。试验结果表明2种控制器对机翼一弯模态的阵风响应减缓效果显著,翼根弯矩和翼尖过载峰值的减缓量均超过50%。与MDEGA相比GSBGS对峰值外频率点阵风响应的减缓更加有效。2种控制策略各具特点,可为工程设计提供参考：MDEGA等效于增加结构阻尼,不需要精确测量阵风,但受气动伺服弹性稳定性约束;GSBGS是开环控制,不改变飞机动态特性,但严重依赖于阵风探测的精度。     

风切变作用下的民用飞机阵风减缓控制研究

风切变会对飞机起飞和进场着陆阶段的飞行造成较大影响.在分析现有阵风减缓控制方案的基础上,设计了符合某型民用飞机的风切变阵风减缓控制方案.通过在机翼两端和飞机重心处安装的加速度计,采用主动控制技术,使用对称副翼、扰流板和升降舵来实现阵风减缓控制.建立了阵风-飞机综合线性数学模型,并以法向过载为性能指标,针对风切变采用LQR方法设计了最优状态调节器使性能指标达到最小.仿真结果表明,所设计的控制律具有良好的控制效果.     

基于果蝇-蛙跳模糊神经网络PID 的永磁直线同步电机控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)伺服系统存在的非线性、时变性及强耦合性,设计一种基于模糊神经网络PID的速度控制策略,通过融合果蝇优化算法和蛙跳算法形成果蝇-蛙跳算法,实时调整优化模糊神经网络的结构参数,输出适用于PID控制器的最佳参数kp、ki、kd,实现PMLSM速度控制的自适应和智能化。仿真分析与试验结果表明,采用基于果蝇-蛙跳算法优化的模糊神经网络PID速度控制器,能使PMLSM控制系统取得更加优良的控制效果。     

航空机电作动器的混合整流全状态反馈控制

研究了一种适用于多电飞机供电系统的新型混合整流电路,并针对航空机电作动器负载特殊的用电特性,提出了一种基于全状态反馈的混合整流控制方法,在保证整流效果的同时,解决了负载功率短时大范围变化引起的直流电压不稳定问题。这种新型混合整流电路将二极管整流电路和脉宽调制(PWM)整流电路并联输出接负载,两者共同承担有功功率且比例可控,通过适当控制PWM电路达到网侧低谐波的目的,且当负载制动时,能量可以回馈交流侧电网。建立了混合整流器的线性化全状态数学模型,设计了基于线性二次型(LQR)最优化理论的全状态反馈控制策略。通过在MATLAB/Simulink下的建模与仿真,比较了全状态反馈控制方法与传统三状态反馈控制方法,并在机电作动器样机上进行了实验验证。仿真和实验结果表明,采用全状态反馈控制的新型混合整流方案对于功率大范围变化负载具有更好的控制性能。     

精确复现机翼摇滚运动的控制技术

为快速、精确地复现自由摇滚实验得到的机翼摇滚运动，在控制伺服电机的传统PID参数基础上增加了基准速度修正系数Kv，并将其视作PID参数的一部分，在此基础之上给出了一种PID参数的快速估计方法。利用该方法可以快速得到不同试验状态下控制伺服电机复现机翼摇滚运动的PID参数，提高了调试反馈控制量的效率。同时，发现在进行PID参数调节之前对速度时序曲线进行光滑化预处理，能为进一步进行PID调节打下坚实基础，提高电机驱动模型复现机翼摇滚运动的精度。最后，通过风洞试验对给出的方法进行了实验验证。     

直升机结构响应的多输入多输出混合控制

对一种综合了自适应前馈与反馈控制的混合控制策略进行了拓展和研究，并将它应用于双频谐振激励下直升机舱座位处多目标点振动的控制仿真。在混合控制策略的实现中，提出了多输入多输出系统的以提高模态阻尼为目标的反馈控制器(AOEF)的型式和设计方法，以及针对闭环控制通道的FXLMS算法。在直升机有限元模型上用2个作动器控制4排座椅处的振动，仿真表明混合控制策略为直升机多通道的振动控制带来了性能上的显提高。     

高阶微分反馈控制及在四旋翼飞行器中的应用

高阶微分反馈控制是不依赖系统精确模型的控制策略,采用控制滤波器间接补偿系统的未知模型。但其中的高阶微分器没有用来估计系统的未知模型函数,采用的是间接补偿未知模型函数方案。改进了高阶微分器,将控制输入引入其中,既能实时估计非线性模型中的未知函数,也能估计系统输出及参考输入的微分信息。对比分析了改进的高阶微分器和扩张状态观测器所估计的未知函数的收敛性,证明前者的型别比后者高一个类型。应用估计的微分和模型函数设计了新的高阶微分反馈控制算法,该方案能够抑制未知扰动,并成功地应用于四旋翼飞行器(QUAV)姿态系统的控制。应用Lyapunov函数从理论上证明了闭环系统的稳定性。在基于Pixhawk的控制测试平台实验中,分别采用改进的高阶微分反馈控制、PID控制、自抗扰控制和传统的高阶微分反馈控制方案,测试四旋翼飞行器对不同参考姿态的跟踪性能和抗扰性能。结果表明,所提出的改进高阶微分反馈控制方案,在暂态性能,稳态跟踪精度和抗干扰鲁棒性方面,大幅度优越于其他方案。     

柔性机翼阵风响应与被动减缓研究

高空长航时无人机的机翼展弦比大、柔性较强,飞行过程中极易受到阵风的影响。文章以几何精确本征理论建立结构模型,耦合 Pitt-Peters动力入流理论建立柔性机翼非线性气弹模型,研究了柔性机翼阵风响应以及翼尖被动阵风减缓效应。采用空间 -时间平行的有限元离散方法,将气弹方程转化为一阶微分代数方程,Newton-Raphson和 Generalized-α算法分别用于静态变形和动态响应的求解,通过算例研究了离散阵风载荷下柔性机翼的阵风响应,结果表明翼尖被动阵风减缓装置对机翼变形有明显的减缓效果。     

航空发动机解耦控制器设计

提出了一种基于输出拟形的解耦控制器设计方法。设计过程中针对某型涡扇发动机双变量控制系统,首先选取2个理想的一阶环节形成2个独立控制回路,以其在各通路单独阶跃下的无耦合响应为拟形目标。以LQR控制器设计为例,采用遗传算法(GA)来优化LQR控制器的加权矩阵Q和R,使闭环控制系统在各控制回路单独阶跃下的输出与目标相一致,从而达到解耦的目的。通过优化算法,设计出的LQR控制器取得了良好的动、静态解耦效果。     

多输入多输出随机振动试验变参数PID控制

 对多输入多输出(MIMO)随机振动试验控制的基本过程进行了系统分析。定义了一种新的在对数坐标下的控制误差表达式,然后在控制算法中引入了新的比例-积分-微分(PID)控制策略,并给出了PID参数随误差变化的规律。以悬臂梁为控制对象,完成了两输入两输出随机振动试验。结果表明：变参数PID控制方法能在保证快速均衡的基础上,有效地减小功率谱和参考谱之间的相对误差以及加速度总均方根值的控制误差,提高随机振动试验的控制精度。     

基于内模控制的多输入多输出高阶振动系统

常规的比例-积分-微分(PID)控制器一般用于单输入单输出系统。对于具有多个输入和多个输出且相互之间具有较强耦合作用的高阶多变量系统,PID控制器的设计常难以实现。针对高阶柔性结构振动控制问题,提出如下PID控制策略：首先在某一频段内对频响函数进行拟合降阶,建立过程模型,然后采用内模控制方法和麦克劳林展开式设计多输入多输出振动系统PID控制器。以4层刚架进行建模仿真计算,结果表明,通过本文方法设计的PID控制器,可以在避免未控模态影响的前提下,使外部干扰得到有效抑制,得到比较理想的控制效果。     

增程式APU混沌退火混合粒子群优化模糊PID动态控制

针对增程式辅助动力单元(APU)工作点切换过程的控制,提出了一种混沌退火混合粒子群(CAHPSO)算法优化模糊比例积分微分(PID)控制的增程式APU动态控制策略。该算法将标准粒子群(PSO)算法与混沌搜索和退火机制融合,强化全局寻优能力,并采用该算法离线优化模糊PID控制参数。为验证该控制策略的有效性,本文建立了APU仿真模型。仿真结果表明:该控制策略可使APU在工作点从热机点逐步切换至高负荷点的过程中稳定时间短,在三个工作点切换控制过程中稳定时间分别为2.92 s,2.88 s,2.79 s;可使APU转速超调率小,在小负荷点向中负荷点切换时超调约0.95%,在其余过程未出现超调;可使APU转矩变化平缓,在中负荷点向高负荷点切换时转矩仅超调0.16 N·m,具有良好的动态控制效果。      

机翼的气动伺服弹性设计优化研究

以气动伺服弹性特性为约束和目标,对一个大展弦比机翼进行了结构/控制设计优化。该机翼具有双梁式结构和一个用于阵风响应减缓的主动控制面。在气动伺服弹性分析模型的基础上,建立了优化问题的数学描述。选取结构刚度和控制器参数为设计变量,以发散、无控和有控情况的颤振为约束条件,以结构重量和阵风响应组合性能为目标函数。采用遗传算法进行优化,得到的最优设计结果与原基准模型相比,机翼在满足气动弹性稳定的约束条件下,结构重量有所减轻,且阵风响应显著地减缓。     

Z源NPC三电平变换器恒功率并网控制策略研究

Z源中点钳位式(NPC)三电平变换器把逆变和升压两种环节结合在一起,结构简单、工作效率高,但是针对这种结构输出的无功功率研究较少。提出了一种Z源NPC三电平变换器的恒功率并网控制策略。首先对这种变换器的结构及原理进行分析;再把恒功率控制引入到这种变换器的并网控制中,并采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)实现了变换器的并网控制。MATLAB/Simulink软件仿真结果证明了这种变换器能够提高电压升压比。该控制策略可使变换器输出的有功功率、无功功率稳定于设定值,且并网电流谐波较低。     

漂浮基柔性臂空间机器人输出力矩受限的自适应PID输出反馈

针对输出力矩受限的漂浮基柔性臂空间机器人的控制问题,结合系统动量守恒关系和拉格朗日方法建立了系统动力学模型;利用奇异摄动法,慢变子系统设计了输出力矩受限情况下仅有位置传感、建模不确定性及干扰的空间机械臂系统协调运动的自适应PID输出反馈控制算法,快变子系统设计了线性二次最优控制方法主动抑制。该算法采用高精度滤波器估计机器人关节速度,使得整个系统的闭环控制仅需位置输出反馈;在控制率中引入饱和函数,保证输出力矩在给定限制范围内,同时采用自适应PID控制器补偿建模不确定性和干扰。基于Lyapunov稳定性理论证明了该算法可确保控制系统是渐近稳定的,针对平面两关节漂浮基柔性臂空间机器人的仿真结果表明了所提出的控制方案良好的跟踪性和快速收敛性。     

一种基于LMI的航空发动机输出反馈PI控制

基于LMI(LinearMatrixInequality,线性矩阵不等式),提出一种航空发动机PI输出反馈控制器设计方法。利用被控对象中控制向量2范数上界的限制,提出了一种改进ILMI(IterativeLMI)算法,用于解决控制受约束的航空发动机PI控制器的一种LMI描述求解问题。以某型双转子涡喷发动机为被控对象,基于LMI进行了PI输出反馈控制器的设计,并分区域在飞行包线进行了航空发动机控制系统仿真验证。结果表明,所得控制器满足预期设计要求,同时具有一定鲁棒性。     

基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。     

基于高斯过程回归的连续式风洞马赫数控制

在风洞实验中保持实验段马赫数的稳定对实验的成功具有重要意义。传统的PID控制算法具有一定时滞性,不能满足连续变迎角实验模式下马赫数的控制精度要求。针对这一缺陷,提出了一种基于高斯过程回归的前馈控制策略,结合PID控制器共同完成马赫数控制任务。首先,对原始数据执行了预处理操作,将数据集中的异常数据进行清洗并且对清洗后的数据进行标准化;其次,选取迎角、实时马赫数、实验段截面积作为高斯过程回归模型的输入,压缩机转速作为输出,采用随机划分数据集与分组划分数据集两种策略进行建模,并将高斯过程回归与常用回归模型的预测精度进行了比较;最后,给出了利用高斯过程回归预测结果及预测置信度进行PID反馈控制的方法。实验结果表明高斯过程回归对风洞实验数据具有很好的建模能力,基于高斯过程回归的前馈控制与PID结合的控制策略能够提高连续变迎角模式下的马赫数控制精度。     

弹性机翼阵风响应减缓神经-模糊控制律研究及实验分析(英文)

针对一个大展弦比弹性机翼模型设计了两种阵风减缓神经模糊控制律,并对这两种控制律进行了阵风响应的仿真计算和对比分析。对其中较优一种神经模糊控制律进行了正弦阵风下的单舵面控制系统和双舵面控制系统仿真计算和实验分析。结果表明:两种神经模糊控制律都能有效地对随机阵风进行阵风响应减缓,其中,加了修正因子的控制律比普通神经模糊控制律效果更好;加修正因子的神经模糊控制律对不同风速、不同频率下的正弦阵风扰动都有较好的效果;在阵风扰动较大情况下,双舵面控制律比单舵面控制律阵风减缓效果好;阵风减缓控制系统的各仿真结果与实验结果比较吻合,对实际阵风响应减缓控制律设计有较高的参考价值。     

多控制面机翼阵风减缓主动控制与风洞试验验证

 针对某大展弦比多控制面弹性机翼风洞模型,分别从频域和时域进行阵风响应分析和阵风响应减缓控制律设计。采用经典控制理论设计控制律,通过操纵位于0.6和0.8翼展处的内外侧控制面减小由正弦阵风引起的翼尖加速度(WTA)。低频段的阵风减缓的数值分析与风洞试验结果均表明：多控制面的阵风减缓效果优于单控制面。当来流速度为14 m/s时,针对频率为2～5 Hz的阵风,采用多控制面得到的WTA减小10%～24%;当来流速度在8～16 m/s时,针对频率为2 Hz的正弦阵风,闭环状态下的翼尖加速度减小10%～40%;结构有限元模型与真实模型存在工程允许的误差导致理论与试验结果存在一定的误差。本文的工作对工程实际中采用阵风减缓技术具有参考价值。