临近空间高超声速飞行器鲁棒自适应控制方法

提出了一种新的将自适应滑模变结构控制与动态逆控制组合的鲁棒自适应的控制方法,用于临近空间高超声速飞行器的再入阶段飞行控制系统设计。用内外环动态逆控制将非线性飞行器对象近似解耦成不确定的3通道一阶线性系统,将所有不确定性转化为匹配的逆误差;由自适应滑模变结构控制给出动态逆的输入信号,消除逆误差的影响,保证对制导指令的鲁棒跟踪。某高超声速飞行器临近空间再入的六自由度仿真结果表明:控制器有较好的鲁棒性和跟踪性能。     

三轴稳定飞行器姿态控制系统混合LQR-H_∞控制器设计

基于简化的三轴稳定飞行器运动模型设计了线性二次型(LQR)最优跟踪调节器。为消除系统模型的不确定性,由微分几何精确反馈线性化理论设计了LQR输出反馈补偿器;对系统的外加干扰,考虑H∞控制的混合灵敏度设计了混合LQR-H∞控制器。仿真结果表明:该设计方法不仅使姿态控制系统有良好的跟踪特性,而且具一定的抗干扰能力,系统鲁棒性较强。     

飞行器变质心控制及性能分析

在合理简化基础上,推导了滑块运动与飞行器姿态角运动之间的关系,分析了配平攻角产生机理及条件;同时还深入分析了轴向位置、横向偏移量、质量比等滑块结构参数对配平攻角的影响;以及不同配平条件下弹道落点偏差情况。结果表明,气动阻力与系统质心偏移弹体纵轴是产生配平攻角两个必要因素,系统静稳定是产生配平攻角的前提条件;轴向位置决定了系统静稳定裕度,与配平攻角呈反比关系;横向偏移量改变控制力矩的力臂,与配平攻角呈正比关系;质量比对力臂和系统静稳定裕度均有影响,与配平攻角呈线性或非线性正比关系;变质心控制能力主要体现在低空段。     

CPR方法与高分辨率二阶格式的混合算法

重构修正方法（correction procedure via reconstruction,CPR）具有紧致高效的优点,但对较强激波的捕捉能力还相对较弱,而加权紧致非线性格式（weighted compact nonlinear scheme,WCNS）具有很强的激波捕捉能力。将基于高阶WCNS插值的二阶格式引入到高阶CPR方法中,构造了一种高效高分辨率的混合激波捕捉格式。首先,基于非线性权偏离线性权的程度的激波侦测器侦测出问题单元,并在问题单元附近引入缓冲单元,其余单元则标记为光滑单元。然后,针对问题单元和缓冲单元采用二阶格式计算,光滑单元采用CPR方法计算,构造混合格式。通过对等熵涡问题、含激波的问题以及激波旋涡干扰问题的数值模拟,测试了混合格式的精度、激波捕捉能力和计算效率。数值模拟结果充分说明了该混合格式具有很强的激波捕捉能力,同时在光滑区具有高分辨特性,可以应用于高超声速流动问题的高效数值模拟中。相比于基于高阶WCNS插值的二阶格式,此格式具有更高的计算效率和更高的分辨率。     

激波控制鼓包对跨声速抖振影响的数值研究

在跨声速飞行时,激波控制鼓包不仅能够减弱机翼上表面的激波强度从而降低波阻,对跨声速抖振也有一定的改善作用。通过URANS方法数值模拟来探究二维激波控制鼓包对OAT15A超临界翼型跨声速抖振性能的影响规律,并研究以巡航设计点减阻与抖振状态减振2种目标设计的鼓包的区别。以巡航设计点减阻优化设计出的鼓包,在抖振条件下,能够推迟了翼型上表面的压力恢复,减弱了激波与边界层的相互干扰作用,达到减弱抖振幅度的效果,然而不能对抖振实现完全抑制。通过改变鼓包相对位置、高度和长度计算得到鼓包参数对抖振的影响规律,分析典型流场得到鼓包抑制抖振现象的工作机理是：鼓包减弱了激波强度的同时,阻碍了鼓包尾部边界层向上游移动与激波相互干扰,从而稳定了激波抖振现象。另外,基于巡航设计点减阻设计的2个鼓包相对参考位置距离分别为0.04c和0.10c(c为翼型弦长),与同等高度鼓包在抖振状态完全抑制抖振且不降低升力的位置范围的[-0.01,0.02]c和[0.01,0.08]c不同,二者位置最小相差0.02c,而鼓包这段距离差异对巡航特性和抖振性能都有着重要影响作用。总而言之,以巡航设计点减阻与抖振状态减振2种目标设计得到...     

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。     

椭圆内聚激波面间断化过程的激波动力学分析

针对椭圆内锥几何约束下激波的非均匀汇聚问题,利用高超声速等价原理,将三维定常椭圆内锥激波转化为二维非定常椭圆内收缩运动激波。根据激波动力学原理,发展出一种既能得到非定常激波面演变过程及参数分布,又能沿着激波面追踪扰动传播过程的“波面-扰动追踪法”。该方法不仅具有快速预测激波非均匀汇聚及其演变过程的特点,而且有助于揭示激波面从连续弯曲演变出间断的内在机理。研究表明：初始沿周向强度均匀,而几何形状偏离轴对称的椭圆内聚激波受到自身产生的非均匀“Shock-Compression”扰动,在向中心汇聚的过程中,激波强度非均匀性出现且不断加剧。由于长轴附近的激波面曲率大,激波强度增长得更快。而激波强度的非均匀性会导致扰动的聚集,使得原本连续光滑的激波面出现间断,进而将初始长、短轴附近的激波面分割为强、弱两对激波段。增大长短轴比,椭圆激波的非均匀性演化更快,激波面更早地出现间断。利用“波面-扰动追踪法”对椭圆激波汇聚过程进行分析,为解决三维定常内锥激波的非均匀汇聚问题提供了新的途径。     

基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统

针对磁流体动力学技术在高超声速飞行器、海洋波浪能、核能和太阳能等领域的应用需求开展磁流体动力学地面实验系统建设,详细介绍了基于等离子体炬的磁流体动力学实验系统的基本组成、设计思路和测试情况。研制了马赫数Ma=1.5的超声速喷管和磁流体试验段,在等离子体炬功率120 kW时测试通道内电导率最高达14 S/m,平均电导率约9 S/m,通过理论计算可知在电导率为9 S/m的情况下,一对测试电极的输出功率可达1 872.96 W,测试试验段整体输出功率达5 993.47 W。该地面实验系统可用于磁流体发电、磁流体加速、磁流体流动控制等磁流体动力学研究。     

非对称变翼飞行器复合控制系统设计

针对非对称变翼飞行器的姿态控制问题,提出了一种复合控制系统的设计方法。基于非对称变翼的姿态动力学模型,将变翼作为一种主动控制方式,提出了非对称变翼的使用条件,并采用逻辑函数设计了气动舵和变翼的复合控制分配策略。利用扩张干扰观测器估计了变翼过程中的扰动,采用全局滑动模态的变结构控制方法,设计了姿态复合控制系统,抑制了变形过程中参数的剧烈变化和变形引起的附加扰动。通过仿真,一方面与固定翼飞行器对比,校验了非对称变翼控制的有效性;另一方面通过气动数据的正负拉偏,验证了控制器对气动参数的摄动有良好的鲁棒性。     

场协同原理在高超声速化学非平衡流动中的推广

应用理论分析与数值模拟方法,将对流传热的场协同原理从不可压缩流动推广至高超声速化学非平衡流动中。结果表明,高超声速化学非平衡层流与湍流的热流密度取决于流动的当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同。用当地单位体积的动量与单位质量总焓梯度的协同研究高超声速化学非平衡流动的壁面传热问题,对层流流动下的对流传热,不但计及了高超声速化学非平衡流的密度变化对热流密度的影响,而且包括了静焓梯度、压力梯度、边界层内的分子黏性剪切效应对热流密度的作用;对湍流问题,除了上述层流流动各项对热流密度的影响外,还计及了雷诺剪切应力对热流密度的作用。考虑到高超声速化学非平衡流静焓的定义,高超声速化学非平衡层流及湍流的场协同同时计及所有组分的平动能、转动能、振动能及电子能等梯度的贡献。