具有Lipschitz非线性系统的航天器故障检测

对存在未知干扰的Lipschitz非线性系统,探讨了基于滑模观测器的执行器故障检测的方法。通过等价状态变换,可以得到2个子系统,其中一个子系统与执行器故障和未知干扰耦合,而另一个子系统则只与执行器故障耦合。在此基础上,提出了一种免受未知干扰影响,可对执行器故障敏感的滑模观测器设计方法。这种滑模观测器可以作为故障检测工具,而将其输出估计误差作为残差发生器,用于执行器故障检测。相比滑模观测器的故障重构方法,该方法大大放宽了对数学假设条件的要求。最后,对一个大攻角状态下的航天器的简化模型进行了数字仿真,仿真结果表明了所提方法的有效性。     

亚声速气流激励下旋转叶片的饱和渗透现象

研究了在1∶2内共振条件下,压气机叶片在亚声速气流作用下的非线性耦合振动响应。利用涡格法得到了三维绕流压气机叶片的横向气动载荷。采用Chebyshev-Ritz法获得旋转叶片的第一阶扭转模态和第二阶弯曲模态的模态函数,并将计算出的前三阶频率并与有限元计算结果进行对比。利用Galerkin法对系统的偏微分方程进行截断,得到扭转模态与弯曲模态的两自由度常微分方程。通过对存在线性刚度项耦合的系统进行了求解,得到了系统存在的两种可能的解支,并对其进行稳定分析。通过对系统两阶模态间能量传递的分析,计算了当调谐参数为σ=0,σ1≠0以及调谐参数为σ=0,σ1=0时系统扭转模态与弯曲模态的力-幅曲线,分析了模态幅值间的饱和行为和能量传递的现象,当外激励调谐参数σ1=0时,扭转模态幅值的跳跃现象消失。同时分析了不同参数对力-频、幅-频特性的影响。     

非线性光纤Sagnac干涉仪精度分析研究

非线性光纤Sagnac干涉仪具有突破标准量子极限的优点,可实现超高精度地球自转角速度的测量。通过理论建模和数值仿真,阐明了非线性光纤Sagnac干涉仪的增益系数、光纤环长度、光纤环面积和激光波长等参量对干涉仪精度的影响。在测量地速的条件下,光纤环半径取0.5m,光纤环长度为20km且非线性增益系数大于3.582时,干涉仪灵敏度能够达到10－6(°)/h(量级),为实现高灵敏度非线性光纤Sagnac干涉仪提供了支撑。     

基于角加速度估计的非线性增量动态逆控制及试飞

针对非线性增量动态逆（INDI）控制方法运用到飞行试验时需要进行状态量导数（角加速度）的实时估计并且存在延迟等问题进行了研究,并给出了工程应用上的实际解决方案。对试飞无人机（UAV）平台进行了动力学建模,利用非线性增量动态逆控制方法和控制器分层设计方法设计了无人机姿态控制系统。采用卡尔曼滤波器设计了角加速度估计器为控制律提供角加速度实时反馈。通过基于模型的控制系统设计方法将控制律实现,并进行实际试飞试验。结果表明：该控制方法工程上可实现,具备良好的鲁棒性和指令跟踪能力。     

基于非线性有源自回归模型的船用凝汽器故障早期预警

针对故障数据稀缺的现实情况,为实现船用凝汽器性能的准确评估以及灵敏故障早期预警,提出了基于非线性有源自回归模型的故障早期预警方法。考虑到凝汽器参数间存在的时序特性以及非线性特性,本文采用非线性有源自回归模型对参数间关系进行刻画并建立了面向故障早期预警的常模式模型。利用凝汽器物理模型的故障仿真数据进行试验,结果表明提出方法对正常数据和故障早期数据的检测精度分别达到98.13%与100%。对比实验证明了考虑时序特性在船用凝汽器故障早期预警中的必要性。     

三维机翼气动结构多学科优化方法

采用Euler方程、连续伴随优化方法、自由形面变形技术（free-form deformation,FFD）以及一种四边形线性壳单元模型对三维机翼气动结构多学科优化方法开展了研究。目标函数为阻力系数和机翼翼盒结构质量的加权和,设计变量为FFD控制点以及10段蒙皮的厚度。气动方面升阻力系数对设计变量的梯度由伴随方法求得,结构方面翼盒质量对于蒙皮厚度的梯度可直接计算,应力的梯度采用有限差分方法获得。对跨声速大展弦比机翼进行气动结构多学科优化,并将该计算结果与机翼气动单学科优化设计后的静气弹计算结果进行对比,结果表明:该气动结构多学科优化方法能够在满足约束条件下,实现阻力系数和翼盒质量同时降低,保证优化结果的合理性。      

发电机的浸入与不变自适应反步鲁棒励磁控制器

针对含有不确定参数的发电机励磁控制系统,设计了一种新型的自适应反步鲁棒励磁控制器。在设计过程中,基于反步法逐步进行控制器的设计,并引入非线性阻尼算法来减小反步法的“计算膨胀”问题,有效地增强了控制器的鲁棒性。接着介绍了应用浸入与不变自适应控制设计阻尼系数的自适应估计律。通过MATLAB软件进行仿真研究,验证了该算法的有效性和优越性。     

电力机车PMSM自适应模糊滑模控制

为研究牵引工况下电力机车永磁同步电机(PMSM)的转速控制精度,考虑轮轨接触不平顺及车体静载荷在轮对径向产生的未知时变负载转矩,建立了机车PMSM在dq坐标系下的数学模型。针对该耦合非线性系统中存在的负载转矩,设计非线性转矩观测器对其实际值进行估计,对观测误差采用自适应模糊逻辑系统进行逼近;为考察d轴电压过零跳变对转速控制及转矩观测性能的影响,在d轴电压控制器设计中引入Nussbaum函数,并依据Lyapunov稳定性理论,构造了基于转矩观测器的自适应模糊滑模控制器。理论分析及仿真结果表明,当转矩时变或d轴电压过零时,机车PMSM闭环转速控制系统跟踪误差一致有界,转矩观测误差收敛于0。     

CRM-WB风洞模型高阶精度数值模拟

通过求解雷诺平均Navier-Stokes （RANS）方程,采用5阶空间离散精度的WCNS和多块对接结构网格技术,开展了CRM翼身组合体风洞试验模型的高阶精度数值模拟,计算构型和计算状态来自AIAA第6届阻力预测研讨会（DPW Ⅵ）。主要目的是采用高阶精度方法,评估静气动弹性变形和模型支撑装置对CRM翼身组合体数值模拟结果的影响。通过与刚性外形的计算结果和NASA NTF风洞试验结果的对比,高阶精度数值模拟结果表明：迎角为3.0°时,静气动弹性变形使得机翼上表面激波位置前移并显著降低了外侧机翼上表面激波位置前的负压;迎角为3.0°时,模型支撑装置使得机翼上表面激波位置进一步前移,并导致翼梢处机翼上表面流动结构发生变化;迎角为4.0°时,计算模型中没有包含模型支撑装置是导致升力系数下降的主要原因;计算模型中包含机翼静气动弹性变形和模型支撑装置的数值模拟结果更加接近试验结果。     

混合动力复合翼应急迫降在线航迹规划与制导

针对混合动力复合翼飞行器巡航模式下空中停车后无动力应急迫降（VTOL）问题,提出在线航迹规划与制导方法。根据复合翼空中停车时初始位置/航向不确定散布,发展一套满足动力学约束、终端约束的三维航迹在线规划方法：利用几何规划方法快速生成扩展Dubins二维航迹,再根据下滑性能约束进行三维扩展。针对低速无动力下滑航迹跟踪更易受风干扰以及三维航线分段连接处曲率不连续的特性,发展一种基于非线性模型预测控制的三维制导算法。将纵横解耦的制导律嵌入到预测模型框架内,跟踪误差、外界风扰动、航迹曲率不连续等非线性因素则通过系统输出建立目标约束,其后利用滚动优化实时求解制导指令。最后对航迹在线规划方法与三维制导律的适用性进行仿真分析与验证,结果表明所提出的航迹规划方法适用于不确定初始位置/航向散布的应急迫降在线规划,所提的制导算法具备抵抗风扰、提高三维制导精度的能力。