分布式电传飞行控制系统结构发展及分析

飞行控制作为各类航空飞行器最主要的支撑技术,经历了从阻尼器、增稳系统、控制增稳到电传技术的发展历程.新一代飞机平台的发展主流正在向综合控制体制迈进,从多个角度阐述了飞行控制系统结构发展的内在要求,并对分布式飞行控制系统结构演进的现状、发展和面临的挑战进行了系统分析.     

变体飞行器控制技术发展现状与展望

变体飞行器可利用变形结构改变气动外形以适应复杂的环境和任务需求,在军事和民用领域均具有极高的发展潜力和应用价值。围绕变体飞行器控制技术这一难度高、发展快、应用前景广阔的研究方向,综述了变体飞行器控制技术的主要研究成果和国内外最新研究进展。首先,结合变体飞行器的发展历程,介绍了变体飞行器的研究背景与意义,指出开展变体飞行器控制技术研究的重要性。其次,对变形决策技术、控制系统建模技术和姿态控制技术等研究成果进行总结与分析。最后,对变体飞行器控制技术的未来研究方向进行了展望。     

智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望简

 变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能,大大提高飞行器的综合性能,是未来飞行器发展的重要方向之一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点,为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类,详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形/承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自适应结构技术等关键技术,本文还对智能材料和结构未来在变体飞行器上的应用前景进行了展望。     

智能材料和结构在变体飞行器上的应用现状与前景展望

变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变自身形状以获得最优的气动性能,大大提高飞行器的综合性能,是未来飞行器发展的重要方向之一。新型智能材料和结构具有驱动、变形、承载、传感等特点,为变体飞行器的设计提供了新的技术途径。本文根据不同可变形机翼结构分类,详细阐述了智能材料和结构在自适应结构、智能驱动器和变形蒙皮等方面的研究现状。变体飞行器的实现亟需解决变形/承载一体化蒙皮技术、轻质大输出力驱动器技术和自适应结构技术等关键技术,本文还对智能材料和结构未来在变体飞行器上的应用前景进行了展望。     

变体飞行器发展现状与应用前景

变体飞行器具有良好的气动特性和经济性。变体飞行器可按照变形尺度分为大、中、小3种类型。文中分析了仿生型变体飞行器、变后掠翼飞行器、机翼前缘变弯度飞行器、机翼变后缘飞行器、折叠机翼飞行器和柔性机翼飞行器等各种变体飞行器的特点和国内外研究现状。从结构材料、变体机构、气动和变形控制4个方面对变体飞行器的关键技术进行总结,对未来变体飞行器的应用方式和发展方向进行了展望。     

智能可变形飞行器关键技术发展现状及展望

智能可变形飞行器是当前航空航天飞行器研究领域的一个热点,是最有可能带来航空航天技术变革,产生颠覆性影响的领域之一,因此受到国内外的广泛关注。本文首先指出飞行器可变形的需求主要来源于如下几个方面,即:1)未来飞行器的飞行空域、速域不断扩大,固定外形可能无法满足不同飞行工况对飞行器气动和飞行性能的需求;2)单架飞行器实现多个飞行使命和任务,可能需要飞行器在执行不同飞行任务时具有不同的气动外形;3)提升现有飞行器的气动总体性能,要求其在各个飞行阶段,通过调整气动外形,使其始终保持优良的气动和飞行性能。介绍了现代意义上的智能可变形飞行器所包含的"变形"和"智能"两方面的含义,其中"变形"是指不同空间尺度(局部、分布、整体)和时间尺度的连续变形,涵盖的范围很宽。按照变形尺度和实现的功能将其划分为三类,即:局部变形(小变形)、分布式变形(中等尺度变形)、整体式变形(大尺度变形)。按照实现方式将其划分为两类:机械式变形和基于智能材料结构的变形。并指出当前这个领域的所谓"智能"基本都限制在智能材料或结构、智能控制等较为单一的领域,距离理想的智能变形有很大差距。本论文的论述重点放在可变形技术所涉及的基础科学问题和关键技术。第二,从1903年人类第一架依靠柔性变形机翼实现控制的莱特兄弟的带动力飞行器起,到20世纪六七十年代以F14为代表的变后掠翼技术,至近些年来在湾流III飞机上成功实现飞行演示验证的连续变后缘弯度技术,系统地介绍了可变形飞行器的发展历程。第三,分别从可变形飞行器设计所面临的关键技术和可变形飞行器两大基础科学问题及技术瓶颈问题的角度,系统地介绍了可变形飞行器所面临的关键问题和国内外研究进展。从设计的角度看,主要问题在于:智能可变形飞行器需求分析和概念研究,智能可变形飞行器总体和分系统设计技术。从基础科学问题和瓶颈技术的角度看,主要问题在于两个方面,即:可变形飞行器气动、飞行力学和飞行控制,变形结构、驱动与变形控制。第四,针对智能可变形飞行器的内涵、可变形的技术指标、变形材料与结构以及效费分析等几个方面进行了有益的探讨。最后对智能可变形飞行器技术的未来发展进行了展望,指出智能可变形飞行器技术是螺旋式发展的,一方面需要开展广泛系统的基础理论和关键技术探索研究,从基础做起;另一方面需要从工程化的角度梳理可变形飞行器一类或几类较为明确的背景需求,以牵引该领域的有序快速发展。     

基于Karhunen-Loève展开的分布式变体飞行器最优控制方法

针对分布式变体飞行器变形规律优化问题的特殊性和计算困难性,提出了一种有效的解决方法。该问题的变形变量在空间和时间上均具有无穷维度,求解难点体现在:现有最优控制方法无法直接求解无穷维控制量问题;变形引起的气动模型数据维度增加,计算量呈级数增长,制约了优化求解。针对这两个问题,基于Karhunen-Loève展开方法对分布变形域进行离散和降维,采用有限维变形控制参数和几何模态描述,将原优化问题转化为可求解的有限维最优控制问题;采用Kriging方法和拉丁超立方抽样(LHS)方法构造了与变形控制参数相关的气动代理模型,大幅降低求解该问题的严重计算负担;结合离散降维最优控制模型和气动代理模型,基于hp自适应伪谱方法,建立了变形规律优化求解过程。以翼型分布式变体问题为例,对给定的飞行任务要求,以燃料消耗最省为目标,实现了全弹道翼型变形过程和迎角、燃油消耗率等控制量的同时优化,获得了更省能量的变体飞行方案,验证了所提方法的可行性。本文所发展方法具有通用性,能扩展到机体/弹体等更为复杂的变体形式,可为未来变体飞行技术发展提供支持。     

变体飞机智能结构技术进展

具有可变外形特征的变体飞机能始终保持最佳飞行状态,满足多种任务需求,是未来飞行器的重大技术方向。本文从变体飞机的背景出发,论述了变体飞机的结构组成和能力需求,阐述了变体飞机结构的关键技术（如柔性结构技术、驱动/控制技术和状态感知技术)的研究现状与发展方向,提出智能材料柔性结构、分布式驱动/控制系统与微小传感器一体化是未来变体结构的主方向。同时指出,4D打印技术在设计和制造智能材料柔性结构方面具有很大的应用潜力。本文的研究为变体飞机智能结构设计和关键技术研究提供了参考,对于未来变体飞机的发展具有指导意义。     

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。      

智能变形机翼无人机稳定与飞行控制研究

研究了采用分布式翼面变形装置替代操纵面的无人机稳定与飞行控制技术。针对智能材料制成的变形装置,确定了变形无人机的气动力计算模型,得到了控制效能系数;采用极点配置法设计了侧向控制系统,纵向控制系统的设计采用了PID控制。仿真结果验证了利用翼面变形装置替代操纵面进行稳定和机动的可行性。该项研究可为无人机的飞行控制设计提供理论参考。     

折叠翼变体飞行器非定常气动特性实验研究

折叠翼变体飞行器是一种可以在飞行中改变自身气动外形的新型飞行器。研制出了一种折叠翼变体飞行器的风洞实验模型,在风洞实验中测得了模型不同变体位置下的气动力以及进行变体运动时气动力的动态变化过程,并通过PIV实验手段获得模型周围的流场在变体运动过程中的变化情况。结果表明：在机翼变形过程中,折叠翼模型有明显的非定常气动现象产生,而且折叠变形的速度越大,非定常现象越明显。出现非定常现象的主要原因是变体运动对机翼前缘涡的影响。     

变体飞机设计的主要关键技术

针对变体飞机的特点,分析了其在设计中出现的诸多新的技术难点,对拟解决的主要关键技术,包括变体飞机不同于常规固定构型飞机的总体及气动协调设计、机翼智能结构设计、可控性设计与飞行控制系统设计等进行了详细介绍。研究结果对于变体飞机的设计具有一定参考价值。     

折叠机翼变体飞机非对称变形控制效率分析

折叠机翼变体飞机变形量大,变形引起的气动参数变化显著,提出一种将非对称变形作为操纵输入的控制方案,研究非对称变形的控制效率和有效区间。首先建立能够完整描述变形过程的非线性动力学方程和气动力模型;然后基于非对称变形控制方法建立一种非对称变形操纵模型;最后通过与常规操纵面效率对比和仿真的动态响应总结出非对称变形操纵的最大变形操纵有效区间。结果表明:在较低飞行速度下非对称变形操纵效率高,非对称变形操纵能够在基准折叠角度90°附近提供最高的滚转操纵效率。     

Design,modeling, and control of morphing aircraft:A review

A morphing aircraft can adapt its configuration to suit different types of tasks, which is also an important requirement of Unmanned Aerial Vehicles(UAV). The successful development of an unmanned morphing aircraft involves three steps that determine its ability and intelligent: configuration design, dynamic modeling and flight control. This study conducts a comprehensive survey of morphing aircraft. First, the methods to design the configuration of a morphing aircraft are presented and analyzed...     

飞机总能量控制系统的研究Ⅰ——原理分析与系统设计

飞机总能量控制是一种全新的综合飞行/推力控制技术,从控制飞机总能量的变化与分配出发,全面解决纵向飞行轨迹控制与速度控制之间的耦合问题;进而建立起一体化的综合飞行控制系统。用多变量系统解耦控制理论研究了这种控制系统,首先分析了总能量控制的基本思想,建立起包含飞机纵向姿态控制回路和发动机推力控制回路的飞机质点能量运动模型,然后利用输出反馈和V规范型前馈解耦策略,对此系统进行解耦分析,设计出能实现飞行轨迹与速度间解耦控制的总能量控制律,并确定出系统的设计条件;最后以波音(Boeing)707飞机为对象,进行了具体的系统设计。     

Gain self-scheduled H_∞ control for morphing aircraft in the wing transition process based on an LPV model

This article investigates gain self-scheduled H 1 robust control system design for a tailless fold- ing-wing morphing aircraft in the wing shape varying process. During the wing morphing phase, the aircraft’s dynamic response will be governed by time-varying aerodynamic forces and moments. Nonlinear dynamic equations of the morphing aircraft are linearized by using Jacobian linearization approach, and a linear parameter varying (LPV) model of the morphing aircraft in wing folding is obtained. A multi-loop controller for the morphing aircraft is formulated to guarantee stability for the wing shape transition process. The proposed controller uses a set of inner-loop gains to provide stability using classical techniques, whereas a gain self-scheduled H 1 outer-loop controller is devised to guarantee a specific level of robust stability and performance for the time-varying dynamics. The closed-loop simulations show that speed and altitude vary slightly during the whole wing folding process, and they converge rapidly after the process ends. This proves that the gain self-scheduled H 1 robust controller can guarantee a satisfactory dynamic performance for the morphing aircraft during the whole wing shape transition process. Finally, the flight control system’s robustness for the wing folding process is verified according to uncertainties of the aerodynamic parameters in the nonlinear model.     

Proportional fuzzy feed-forward architecture control validation by wind tunnel tests of a morphing wing

In aircraft wing design, engineers aim to provide the best possible aerodynamic performance under cruise flight conditions in terms of lift-to-drag ratio. Conventional control sur-faces such as flaps, ailerons, variable wing sweep and spoilers are used to trim the aircraft for other flight conditions. The appearance of the morphing wing concept launched a new challenge in the area of overall wing and aircraft performance improvement during different flight segments by locally altering the flow over the aircraft's wings. This paper describes the development and appli-cation of a control system for an actuation mechanism integrated in a new morphing wing structure. The controlled actuation system includes four similar miniature electromechanical actuators dis-posed in two parallel actuation lines. The experimental model of the morphing wing is based on a full-scale portion of an aircraft wing, which is equipped with an aileron. The upper surface of the wing is a flexible one, being closed to the wing tip; the flexible skin is made of light composite materials. The four actuators are controlled in unison to change the flexible upper surface to improve the flow quality on the upper surface by delaying or advancing the transition point from laminar to turbulent regime. The actuators transform the torque into vertical forces. Their bases are fixed on the wing ribs and their top link arms are attached to supporting plates fixed onto the flex-ible skin with screws. The actuators push or pull the flexible skin using the necessary torque until the desired vertical displacement of each actuator is achieved. The four vertical displacements of the actuators, correlated with the new shape of the wing, are provided by a database obtained through a preliminary aerodynamic optimization for specific flight conditions. The control system is designed to control the positions of the actuators in real time in order to obtain and to maintain the desired shape of the wing for a specified flight condition. The feasibility and effectiveness of the developed control system by use of a proportional fuzzy feed-forward methodology are demon-strated experimentally through bench and wind tunnel tests of the morphing wing model.     

变体飞机的研究进展及其关键技术

简述了变体飞机的发展过程及研究现状,分析了几种典型的变体机翼及其变体方式,提出了发展变体飞机亟待解决的若干关键技术问题,并给出了一些解决问题的方法和途径,最后对变体飞机的未来发展和应用进行了展望.     

变体无人机动力学模型及切换控制研究

针对能够在飞行过程中进行结构变形的变体无人机,考虑由变形引起的气动力与力矩,惯性力与力矩的非线性变化,建立其在质点系假设条件下的多体动力学模型。根据切换系统理论,将变体无人机视为一类线性切换系统,选择设计点,采用极点配置方法针对各设计点处的线性子系统设计控制器,再制定以变形量为决策变量的控制切换方案,构成切换控制系统。通过建立公共Lyapunov函数,推导了能够保证闭环切换系统在结构变形过程中一致有界的充分条件。以变体无人机Fire-Bee为例,验证了方案的有效性,仿真结果表明闭环系统无论在固定结构下还是变形过程中都具有良好的动态特性。