Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft

Electromechanical actuators (EMAs) are becoming increasingly attractive in the field of more electric aircraft because of their outstanding benefits, which include reduced fuel burn and maintenance cost, enhanced system flexibility, and improved management of fault detection and isolation. However, electromechanical actuation raises specific issues when being used for safety-critical aerospace applications like flight controls: huge reflected inertia to load, jamming-type failure, and increase of backlash with service due to wear and local dissipation of heat losses for thermal balance. This study proposes an incremental approach for virtual prototyping of EMAs. It is driven by a model-based system engineering process in order to enable simulation-aided design. Best practices supported by Bond graph formalism are suggested to develop a model’s structure efficiently and to make the model ready for use (or extension) by addressing the above mentioned issues. Physical effects are progressively introduced, and the realism of lumped-parameter models is increased step-by-step. In particular, multi-level component models are architected to ensure continuity between engineering activities. The models are implemented in the AMESim simulation environment, and simulation responses are given to illustrate how they can be used for preliminary sizing, control design, thermal balance verification, and faults to failure analysis. The proposed best practices intend to provide engineers with fast, reusable, and efficient means to assess performance virtually and enhance maturity, performance, and robustness.     

基于H∞方法的控制系统作动器最优控制仿真研究

在设计控制系统模型时,首先引入了有限差分法(FDM)离散化后的波动方程,然后基于H∞最优控制原理,检查闭环控制系统的稳定性和可探测性,对控制系统传感器和作动器的位置进行优化配置.通过计算闭环反馈系统的范数,最终得到了控制系统的最优控制算法.仿真结果表明,利用波动方程来优化控制系统传感器和作动器位置的算法是可行的,可广泛应用于飞控系统的设计中.     

基于快速非奇异终端滑模的姿态控制技术

针对存在执行器故障与外部干扰的刚体飞行器姿态控制系统,提出一种基于快速非奇异终端滑模(NSFTSM)的姿态容错控制方法.控制方法不仅保证姿态机动过程的快速性,而且避免了传统的终端滑模面所带来的奇异性问题.采用二阶鲁棒精确微分器估计执行器故障与外部干扰,采用快速非奇异终端滑模技术设计姿态容错控制律,根据Lyapunov稳定性理论证明了方法的稳定性.稳定性分析表明,通过引入新型快速非奇异终端滑模,控制器使得闭环系统能够快速收敛到滑模面的微小邻域内,进而收敛到系统平衡点的微小邻域内,并且系统对外部干扰具有较强的鲁棒性.数值仿真结果验证了方法在姿态跟踪控制中的有效性.     

微磁强计弱磁处理芯片设计与实现

为适应微纳卫星平台的应用需求、实现磁强计的微型化,针对巨磁阻抗(GMI)效应微磁强计的研制需求设计并研制了弱磁信号处理芯片.在分析GMI微磁强计构造的基础上,针对单机(微)小型化提出了弱磁信号处理电路芯片化的方案;结合空间应用特点,设计并实现了基于SOI CMOS工艺的弱磁信号处理芯片.实测结果表明:基于所研制的弱磁信号处理芯片不仅实现了磁强计的微型化、集成化,而且具有良好的弱磁测量性能.     

风扇/压气机周向模态识别中传感器角度偏差的影响

基于任意角度压缩感知(CS)方法分析了传感器安装角度偏差对风扇/压气机周向模态识别重构的影响,设计了一套自适应角度优化程序修正重构误差。利用数值试验探究了传感器角度偏差和数量对周向模态重构结果的影响,研究表明:当角度偏差等级为2.5%时,平均重构误差达到10%以上,若保证重构误差基本不变,将传感器数量从7个增加至25个,仅可以将角度偏差等级放宽至4%。而采用小生境微种群遗传算法进行自适应角度优化,在20 dB信噪比下,通过自适应角度优化可将角度偏差等级从2.5%放宽至10%,降低了传感器安装的精度要求。成功优化了一款冷却风扇在前三阶叶片通过频率下的主要周向声模态重构幅值。自适应角度优化算法有效提升了基于压缩感知的风扇/压气机周向模态重构可靠性。     

低雷诺数下小展弦比机翼的气动力优化设计

以固定翼式微型飞行器为研究背景,针对小展弦比机翼,将遗传算法与Navier-Stokes方程数值解法相结合,提出了一种以实数编码为基础的数值优化模型.流场数值模拟采用人工压缩方法,遗传算法采用锦标赛选择、自适应交叉和变异操作算子,对微型飞行器机翼选取五个设计点分别进行了升阻比优化设计.优化结果表明,本文的优化模型具有较高的搜索效率和显著的优化效果,五个设计点机翼的升阻比均提高30%以上.优化后的翼面接近椭圆形状,翼型前缘钝厚,尾缘向上拱起,这种形状能大大增加升力,降低诱导阻力,从而显著提高机翼的气动性能.     

精密跟瞄Hexapod平台研制及其振动控制

为了实现星载光学设备的精密跟瞄,以自行研制的宏/微双重驱动复合作动器为主动元件,设计了合理的平台构型,选择并装配了铰链等关键部件,组装完成了具有振动主动控制和大幅跟瞄能力的Hexapod平台原理样机。利用牛顿-欧拉法建立了Hexapod平台线性动力学模型。采用改进的自适应振动消减器(ADC)方法进行了平台主动隔振的控制仿真与实验研究。由仿真结果可知,当Hexapod平台底部受到方向不同的双频正弦微振动干扰时,控制可以隔离干扰向平台上平面的传播;在实验中,平台上平面处于水平位置及转动一定角度时,底部微扰动引起的各杆振幅均下降了90%左右。结果表明了所研制的Hexapod平台用于主动隔振的可行性、建模的有效性以及改进的ADC方法的合理性。     

电动静液作动器非线性框图建模与鲁棒控制方法

 阐述了机载电动静液作动器（EHA）的典型工作原理与结构特点,根据其元部件数学方程,建立非线性精确框图模型,完善了EHA补油回路和摩擦特性的描述。通过对系统阻尼、稳态误差及摩擦的仿真分析,设计了一种结合动态压力反馈与变增益控制策略的状态反馈控制器,改善了系统动、静态性能。鲁棒性测试结果反映了系统参数不确定性对性能的影响。     

微细电解铣削加工模型及实验研究

 对微细电解铣削加工技术进行了深入研究。将分层加工技术应用到微细电解加工过程中,显著改善了加工稳定性;建立了微细电解铣削加工的数学模型;基于电化学刻蚀原理,在线制得直径小至10 μm的圆柱电极;分组实验并验证了加工模型中各参数如：电极直径、加工电压、电解液浓度、铣削层厚度等对微细电解铣削加工精度的影响。通过优化加工参数,成功加工出了深三角结构和四棱台微型腔,形状精度高,加工稳定性好。     

微型燃气轮机乙醇燃烧室点火与熄火试验

对应用于微型燃气轮机上的可再生生物质燃料乙醇燃烧室开展了试验研究,包括4种不同的供油方式,获得了常温常压进口条件下乙醇燃烧室的点火与熄火特性.研究结果表明:常温常压下采用旋流器的乙醇燃烧室的贫油点火和贫油熄火当量比的值均随空气流量的增加而减小,其点火与熄火性能优于预蒸发预混管燃烧室.