变体飞行器变形辅助机动的建模与滑模控制

以伸缩翼变体飞行器为对象,研究了机翼伸缩辅助机动飞行的建模与控制问题。建立了飞行器气动参数与翼展变形率的函数关系,将机翼伸缩视为辅助操纵方式,构建了变形辅助机动的动力学模型。针对飞行器模型高度非线性的特点和机翼伸缩等会引起复合干扰的问题,提出了一种基于反馈线性化的非奇异动态终端滑模控制(non-singular dynamic terminal sliding mode control,NDTSMC)策略,在保证有限时间收敛的基础上,通过对切换信号的积分作用消除抖振,实现对不确定性的抑制。仿真结果表明,非奇异动态终端滑模控制方法能提高变体飞行器的控制精度和鲁棒性能,更好地消除抖振;变形辅助机动的变体飞行器比常规飞行器具有更强的机动性能和抗干扰能力。     

机翼结冰后人-机系统动态特性仿真与风险评估

机翼结冰导致气动特性改变,为了定量分析机翼结冰导致的飞行风险,提出了利用人-机系统数值仿真数据进行概率评估的方法.考虑结冰对临界迎角、升阻特性等的影响,通过建立非线性动力学仿真模型和特殊情况下驾驶员操纵副翼偏转模型,实现了机翼结冰后的人-机系统动态仿真.分析了非指令控制滚转不正常现象,并通过影响因子的概率分布模型,最终实现了飞行风险概率评估.     

非对称伸缩翼飞行器动力学建模及特性分析

以非对称伸缩翼飞行器为对象,构建了非对称变翼下的飞行器动力学模型,分析了非对称变翼对动力学的影响特性。首先,运用牛顿〖CD*2〗欧拉法建立了飞行器多刚体动力学模型,突出了非对称伸缩变形所产生的模型差异;其次,以流体力学计算软件计算获得的气动数据为依据,探讨了非对称伸缩变形对飞行器质心偏移、转动惯量、气动特性、滚转力矩和纵向静稳定性的动力学特性的影响规律。最后,将翼展非对称动态变化作为系统输入,以非对称伸缩翼所占的质量比和伸缩速率为特征量,分析了翼展非对称变化下的飞行器动态特性。结果表明,翼展非对称伸缩动态变化,使飞行器具有快速滚转的能力,可作为一种主动控制方式。     

扑翼微型飞行器的动力学建模

对鸟和昆虫的飞行机理进行了有价值的探讨,并对扑翼式微型飞行器机体动力学和机翼空气动力学进行了详细的分析。由此分析得出结论:机体所受外力为空气动力、自身重力和机翼作用于机体的驱动力,而采用扑动与扭转两个自由度飞行的机翼所产生的机体驱动力就是由瞬时平移力和旋转循环力合成的瞬时空气动力,从而得出了相应的参数方程以及整机动力学模型。对所建模型的仿真结果表明,只要合理选择参数,各种飞行过程能得到很好的模拟。     

先进短距起飞垂直着陆飞机的建模与仿真研究

先进短距起飞垂直着陆(ASTOVL)飞行／推进综合控制技术的实现，需要进行大量的理论研究和仿真计算，以确定最优控制律。通过用全量非线性方程来描述的该类依靠气动舵面和推力矢量融合控制技术的飞机运动状态，建立了六自由度的飞机动力学数学模型。由于没有对刚体飞机数学模型和气动数据进行线性化处理，因而所建模型不仅能较全面地反映STOVL飞机的实际运行特性，而且具有较强的通用性。最后，以某型号STOVL飞机为背景，在MATLAB5．2／Simulink环境下研究和开发了飞行数字传真器，介绍了仿真软件的设计思想和程序架构，并通过数字仿真验证了该仿真器的正确性。     

基于多模型MPC的变体飞机协调优化控制

针对变体飞机纵向动力学模型的变形机构、升降舵、发动机推力的协调优化控制问题，基于多模型切换的模型预测控制方法，建立了变体飞机的纵向动力学模型与气动模型，并分析了其在不同状态和构型下的动力学特性。针对变体飞机纵向运动的平衡点转移问题，基于小扰动线性模型设计了一种多模型切换的模型预测控制器。该控制器能够通过协调控制变形机构、发动机推力和升降舵优化飞行性能，并保证了输入幅值和速率受限的条件下变体飞机的状态变量不超出预先设定的范围。然后，给出了将控制器求解转换为二次规划的详细可行步骤。最后，通过仿真验证了方法的有效性。     

变质量分布硬式加油管建模与反演自适应控制

硬式加油技术适合给大型飞机加油,能与软式加油形成功能互补。研制硬式加油技术,需要解决伸缩管动力学建模与控制问题。在加油机定直平飞的前提下,建立了考虑伸缩管质量分布变化与气动参数不确定性的动力学模型。将不确定性视为复合扰动,采用反馈线性化实现标称系统的解耦,并分别为俯仰与滚转子系统设计了非线性干扰观测器与反演自适应控制器。仿真结果表明,复合控制器在多种不确定性条件下能达到一致的控制效果,控制性能优于常规增稳控制系统。     

复杂大气扰动下大型飞机飞行动力学建模研究

大型飞机的机体尺度与中小规模的风场尺度接近,为进行高逼真度的飞行仿真,需要建立含扰动风参数影响的动力学模型.推导了含三维扰动风参数的六自由度动力学方程,给出了扰动风参数的计算方法.基于B747-100飞机建模数据,结合四点模型,给出了扰动风场中气动模型修正的一般方法.改进Newton-Raphson算法,对动力学模型进行了无风状态下的配平,并结合典型飞行状态进行了模型初步验证.分别基于质点模型和四点模型,给出了B747飞机穿越三维大气紊流场的数值仿真实例.结果表明,应用四点模型的仿真结果更能表现出大型飞机对大气紊流响应的随机特性.建立的含扰动风影响的动力学模型以及改进的配平算法可用于飞行模拟器的飞行实时仿真.     

基于PC的飞行模拟器中面向对象的空气动力学模型

飞机的空气动力学模型是飞行模拟器仿真软件中非常重要的组成部分,它直接反映了被仿真飞机的气动特性.由于该模型中包含众多的气动数据和复杂的数据处理过程,所以高效的实现此模型的功能是开发高逼真度飞行模拟器项目的关键.考虑到基于面向对象C 语言的特点和MATLAB快速实现实时仿真应用的优势,我们实现了空气动力学模型的编制并将其成功应用于自行开发的基于PC的飞行模拟器中.此方法增加了程序的结构性和可移植性,使其便于维护并可以适用于不同的机型,同时也为下一步制定模拟机软件框架积累了经验.     

结冰对飞机飞行动力学特性影响的仿真研究

采用一种计算飞机结冰后气动系数和气动导数的工程方法,引入几个结冰参数,建立结冰后飞机飞行动力学模型。根据这些参数计算了飞机结冰后阻力系数以及典型气动导数的变化,并计算了结冰前后飞机的飞行包线;同时对结冰前后飞机的纵向、横侧动稳定性以及升降舵、副翼和方向舵阶跃操纵响应进行仿真计算。这种方法除了简单、物理概念明显、耗费少之外,采取将外界结冰条件与飞机本体分开处理的思路,具有广泛的适应性。结冰参数值随时间变化,可为实时监控结冰影响提供数据。     

倾转旋翼飞行器飞行力学建模及验证分析

为了进一步提高倾转旋翼飞行器的建模精度,考虑旋翼挥舞运动、采用有限状态尾迹模型描述旋翼诱导速度,进而建立旋翼气动力数学模型;考虑旋翼/机翼/干扰,建立相应气动力数学模型;针对倾转旋翼飞行器操纵冗余问题,建立了适用于全模态的操纵策略数学模型。最后以通用倾转旋翼飞行器数学模型和飞行试验数据,对建立的数学模型进行验证。仿真结果表明建立的飞行动力学模型具有良好的精度,适用于飞行动力学其他问题的分析研究。     

基于速度线性化的变体飞行器鲁棒LPV控制

针对大包线下变体飞行器在翼型快速变化过程中的姿态控制问题,提出了一种基于速度线性化的鲁棒线性变参数(linear parameter varying, LPV)控制方法。所提方法将状态量的微分增广至状态方程,得到系统任意状态下的线性化模型,解除了传统小扰动线性化方法要求系统处于平衡点邻域的限制。建立了具有凸多胞形式的变体飞行器LPV模型,给出了参数依赖鲁棒H∞状态反馈控制器存在的充分条件,依据顶点控制器和变参数进行凸插值得到鲁棒LPV控制器。仿真结果表明,设计的控制器在飞行器快速变形和参数大范围快速变化的情况下仍具有良好的控制性能和鲁棒性。     

飞翼无增稳条件下横航向动稳定设计方法

横航向稳定性不足的问题是飞翼布局飞机设计过程中需要处理的关键问题之一。提出了一种在无自动器增稳条件下,不改变飞机平面布局而仅修改上反角实现飞翼布局飞机横航向动稳定的设计方法。从理论角度分析了该设计方法的可行性,以改进的涡格法和横航向线化小扰动方法构建数学分析模型,利用根轨迹方法对飞机不同飞行状态下的横航向动稳定性发展情况进行描述以指导优化方向。通过以一小尺寸飞翼布局飞机作为研究算例,对其进行展向上反角优化研究,以证明该套设计方法的有效性。试飞数据及计算结果表明,上反角优化明显改善了飞机荷兰滚模态特性。     

一种微小型弹药的气动特性仿真研究

针对微小型弹药布局设计的现有约束问题，提出了一种新的微小型弹药布局优化方案，基于正常式布局的结构，建立弹药的三维气动模型，对微小型弹药进行流体力学仿真，研究了弹翼尺寸对弹体静稳定性的影响。为验证设计方案的可行性，利用不同的飞行条件进行模拟气动计算，得到微小型弹药的升力、阻力及俯仰力矩参数，计算了升阻比与可用过载。仿真结果表明：所提微小型弹药气动布局方案满足设计要求，且具有良好气动特性和飞行稳定性，为后续设计提供一定的参考依据。     

单侧机翼损伤飞机的神经网络自适应鲁棒非线性控制

针对飞机飞行中单侧机翼突然损伤问题,结合对损伤飞机的特性分析,提出基于神经网络自适应补偿的鲁棒非线性模型逆控制方法。利用未损伤飞机模型伪控制量中的单隐层神经网络自适应项和鲁棒项,并联合e modification自适应律对模型误差、外界扰动、神经网络近似误差进行补偿。除此之外,利用动态非线性阻尼技术对上述伪控制律进行扩展,从而适应损伤机体未建模舵动态。最后对上述算法进行严格的稳定性证明,并推导了逆过程的实现方法。仿真结果表明在单侧机翼突然损伤并伴随外部扰动和未建模舵动态下,该控制方法具有较强的稳定性和鲁棒性。     

大展弦比飞翼布局飞机的三轴稳定特性

飞翼布局飞机取消了平尾和垂尾, 构型的改变和阻力方向舵的使用使其呈现出与常规布局飞机不同的三轴稳定特性.以大展弦比飞翼布局飞机为研究对象, 开展了其三轴静、动稳定特性的研究; 通过与常规大展弦比飞机进行对比, 揭示了飞翼构型参数、典型飞行状态对其稳定性的影响规律; 分析了阻力方向舵的偏转对此类飞机稳定性的影响.研究结果表明, 大展弦比飞翼布局飞机的本体稳定性存在诸多的不足.     

基于扩张状态观测器的变形机翼抗饱和控制

针对一类滑动蒙皮机翼模型的强非线性、模型不确定性、未知外部干扰以及执行器饱和特性,提出了基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的抗饱和控制方法。通过将变形机翼系统的不确定性视为扩张状态,设计了ESO对扩张状态进行估计;并在控制策略中,对观测出的扩张状态进行实时补偿;利用线性矩阵不等式工具给出了执行器饱和条件下的收敛域。数值仿真结果表明变形机翼系统可以有效克服模型不确定性、未知外部干扰与执行器饱和的影响,完成变形指令。