柔性机翼颤振的次最优控制

柔性机翼颤振的主动控制中,控制器的阶数一般较高,并且空气动力状态是不可测的.本文采用基于部分状态反馈的次最优控制方法对柔性机翼的颤振主动控制进行了研究,并与基于全状态反馈的最优控制方法进行了对比.首先,建立了带有控制面的柔性机翼的气动伺服弹性状态方程,并设计了全状态反馈最优控制律;然后,使用控制性能指标关于反馈增益的二阶灵敏度确定系统各个状态的重要程度,选择出用于控制反馈的重要状态,并根据所选择的重要状态设计了次最优反馈控制律;最后,通过数值仿真将基于部分状态反馈的次最优控制律与基于全状态反馈的最优控制律的控制效果进行了对比.仿真结果显示,二阶灵敏度能够有效地显示出各个状态的重要程度,次最优控制律能够取得与最优控制律基本相同的控制效果.本文所设计的次最优控制律中不含空气动力状态,且控制器阶数低,更具工程意义.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速–位移增益曲线和风速–速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.     

基于主动控制策略的机翼颤振特性模拟

航空航天飞行器舵翼类结构的气动颤振是一种灾难性的动力学行为.在基于偶极子理论的气动弹性动力学模型中,气动载荷可表达为基于结构动力学响应的一种状态反馈的闭环控制力,控制律取决于翼型的几何参数、材料参数、结构动力学特性以及来流速度等多种条件,通常需通过实际飞行或风洞实验进行辨识与检验.在实验室条件下,以系统动力学响应的模态特征等效为前提,提出了一种基于人工主动控制的方式进行气动载荷下舵翼类结构自激颤振的特征值跟踪策略.建立并讨论了等效系统的非自伴随动力学微分方程及其特征方程的求解过程,并与通用软件的计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性.通过优化搜索分别获得了位移和速度的最优反馈点、最优作动点位置及最优反馈增益系数,经对比计算拟合得到风速-位移增益曲线和风速-速度增益曲线,从而实现了由单点反馈、单点作动的集中力的闭环控制等效系统的真实气动力分布控制.仿真算例表明,由此预示的实验过程无需辨识和重构非定常气动力的时域波形,无需其他干预即可实现地面模拟实验,主动控制的效果满足预期,初步实现了自激颤振的特征值跟踪,为进一步推动主动控制模拟实验及颤振参数辨识提供了基础.      

颤振主动抑制的状态空间法

本文研究颤振主动抑制的状态空间法,首先建立了带有后缘控制面的二维翼段的数学模型;然后使用二次型性能指标求得了系统的最优控制规律。为了改善闭环系统的性能,文中提出了一种准则,给出了数值计算的例子,其结果是令人满意的。     

颤振的增益调度控制实验研究

本文对机翼外挂系统颤振的半主动抑制实验进行了研究分析,在引入电磁阻尼器对风振控制的同时,根据增益调度控制原理设计并制造了控制系统,在风洞实验中实现了电磁阻尼器对系统的颤振半主动抑制,为颤振抑制的实现又提供了一种实验的方法。     

哈密顿系统正则变换在时变最优控制中的应用

利用哈密顿系统正则变换和生成函数理论求解线性时变最优控制问题,构造了新的最优控制律形式并提出了控制增益计算的保结构算法. 利用生成函数求解最优控制导出的哈密顿系统两端边值问题,并构造线性时变系统的最优控制律,由第2类生成函数所构造的最优控制律避免了末端时刻出现无穷大反馈增益. 控制系统设计中需求解生成函数满足的时变矩阵微分方程组. 根据生成函数与哈密顿系统状态转移矩阵之间的关系,从正则变换的辛矩阵描述出发,导出了求解这组微分方程组的保结构递推算法.为了保持递推计算中的辛矩阵结构,哈密顿系统状态转移矩阵的计算中利用了Magnus级数.      

文章导读

正飞机结构气动弹性分析与控制研究(1–27,doi:10.6052/0459-1879-15-423)胡海岩,赵永辉,黄锐评述飞机结构气动弹性研究进展并重点介绍作者的如下研究成果:在亚音速气动弹性研究中,揭示多个控制面间隙、反馈时滞对颤振的影响机理,提出时滞最优控制方法,经风洞实验证明可在较大流速范围内抑制颤振;在跨音速气动弹性研究中,提出非线性气动力的降阶模型,进而有效提高了跨音速颤振分析和颤振主动抑制的效率.     

弹性飞行器气动伺服弹性稳定性分析与控制

轻质结构大长细比弹性飞行器开环闭环颤振及控制系统设计是气动伺服弹性稳定性校核与分析的核心问题。本文利用振动模态试验数据修正了弹性飞行器结构有限元模型;使用涡格法进行非定常气动力计算,并利用最小状态法获得了弹性飞行器刚弹耦合频时域状态空间方程。绘制系统状态矩阵特征值随动压变化绘制的根轨迹图对该弹性飞行器开环颤振进行了分析。最后使用线性二次型方法设计了弹性飞行器主动颤振抑制控制律和纵向姿态控制器。仿真结果表明,系统在短的上升时间内实现了对指令的跟随,超调量合理,无静态误差。本文所采用的方法能够满足工程设计需求。     

采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制

对采用分布式压电驱动器升力面的颤振主动抑制进行了理论与试验研究.应用 LQG最优控制法设计了主动控制律,在控制律降阶时提出了平衡实现与LK法结合使用的新途径,在对不定常气动力进行有理函数拟合时对LS法进行了改进.试验中利用激光测速仪非接触测量模型的速度响应并在地面共振试验中用压电驱动器激振模型.颤振风洞试验结果表明,理论计算合理并与试验结果吻合良好.     

一种重复控制律的设计与实现

本文提出了一种重复控制律的设计方法，该方法将反馈控制律设计与重复控制律设计相结合，在反馈控制的基础上引入重复控制回路，以此提高系统对周期输入信号的跟踪能力和对周期扰动的抑制能力。文中给出了系统稳定的充分条件和该方法的实现方式，通过对三轴仿真转台的实验验证了该方法的有效性。     

跨声速机翼阵风减缓研究

阵风响应分析是大型民用飞机设计必不可少的工作. 利用操纵面的主动偏转实现机翼阵风减缓是未来民用飞行器的一个关键技术. 基于CFD/CSD耦合的气动弹性仿真方法,将阵风视为输入,翼根弯矩作为输出,通过系统辨识方法建立跨音速阵风响应的状态空间分析模型. 而后将副翼作动位移视为系统输入,建立副翼作动对应的机翼响应分析模型. 耦合上述2个模型,通过最优控制方法设计副翼偏转的控制律,实现跨音速机翼的阵风响应减缓. 通过设计状态观测器得到最优控制反馈所需的状态量. 通过数值算例验证了所设计的阵风减缓控制律的有效性,能将翼根弯矩减少60%～80%.      

Active flutter suppression control law design method based on balanced proper orthogonal decomposition reduced order model

Active control for nonlinear aeroelastic structures is an attractive innovative technology. The design of classic active flutter controllers has often been based on low-fidelity and low-accuracy linear aerodynamic models. Multi-physics high-fidelity reduced order model (ROM) was used to design active control laws. In order to provide a lower-order model for controllers design, a balanced proper orthogonal decomposition ROM (POD-BT/ROM) was investigated. A state-space aeroservoelastic model and the active flutter suppression control law design method based on POD-BT/ROM were proposed. The effectiveness of the proposed method was then demonstrated by NACA 0012 airfoil, AGARD 445.6 wing and the Goland wing+ aeroelastic model.     

ANALYSIS OF THE HIGH-ASPECT-RATIO WING GUST RESPONSE BY TRANSFER FUNCTION METHOD1)

将传递函数法应用于大展弦比机翼的阵风响应分析。首先,基于二元机翼的运动方程和准定常片条理论建立机翼的阵风响应微分方程,对其进行Laplace变换,并转换为状态空间方程形式。然后,运用传递函数方法,获得机翼响应在频域的解析解,通过Laplace数值逆变换求得机翼在时域内的响应。通过与已有文献结果对比,验证了本文方法的正确性。最后,采用该方法求解了“1-cos”型阵风和连续大气湍流作用下的机翼响应,并对结果进行了分析讨论。     

基于传递函数法的带多个外挂机翼颤振分析

基于带外挂机翼结构和气动特点，使用带有半解析半数值特性的传递函数方法进行处理．首先，通过机翼的运动微分方程、二元机翼非定常气动力Therdorson 模型、结合外挂挂载处的内力平衡与位移状态条件，得到了三维的带多个外挂大展弦比机翼的颤振微分方程．进而，使用传递函数方法，先将颤振计算方程整理成为状态空间方程形式，结合求解复特征值的方法，完成了带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性分析．对比已有文献的计算结果以及通过有限元方法进行的仿真结果，证实了文章所提计算方法的准确性和高效性，结合传递函数方法的优势，进一步将文章方法拓展到机翼的固有频率和发散速度求解．文章结尾，分析了外挂数量、外挂质量、转动惯量及位置分布等变量对带多个外挂大展弦比机翼的动气动弹性稳定性的影响．     

EFFECTS OF STEADY ANGLE OF ATTACK ON NONLINEAR GUST RESPONSE OF A DELTA WING MODEL

The effects of a steady angle of attack on the nonlinear aeroelastic response of a delta wing model to a periodic gust have been studied. For the theoretical analysis, a three-dimensional time-domain vortex lattice aerodynamic model and a reduced order aerodynamic technique were used and the structure was modelled using von Karman plate theory that allows for geometric strain–displacement nonlinearities in the delta wing structure. Also, an experimental investigation has been carried out in the Duke wind tunnel using a rotating slotted cylinder gust generator and an Ometron VPI 4000 Scanning Laser Vibrometer measurement system to measure deflections (velocities) of a delta wing test model. The fair to good quantitative agreement between theory and experiment verifies that the present analytical approach has reasonable accuracy and good computational efficiency for nonlinear gust response analysis in the time-domain. The results also contribute to a better physical understanding of the nonlinear aeroelastic response of a delta wing model to gust loads when the steady angle of attack is varied.     

飞机结构气动弹性分析与控制研究

随着主动控制技术的发展,飞机结构设计理念已由提高结构刚度的被动设计转变为随控布局的主动设计.主动设计理念不再刻意回避气动弹性问题,而是采用主动控制技术实时调节结构气动弹性,进而减轻结构重量、优化飞机性能. 在飞机随控布局主动设计中,必须深入分析结构与气流之间的耦合,才能更好发挥气动弹性主动控制技术的作用. 从20 世纪80 年代起,航空科技界对该问题进行了长期研究,对飞机结构-空气动力-主动控制相互耦合后的关键力学问题有了深入理解. 然而,已有研究多基于简化模型,导致研究结果难以直接应用于工程. 本文将针对气动弹性动态问题,综述空气动力非线性、控制面间隙非线性、时滞诱发失稳、颤振主动抑制、突风载荷减缓、风洞实验验证等方面的国内外研究进展,重点介绍近年来作者团队所提出的若干方法及相关算例和风洞实验. 最后,指出今后一个时期值得研究的若干气动弹性分析与控制问题.      

A simulation-based study on longitudinal gust response of flexible flapping wings

Winged animals such as insects are capable of flying and surviving in an unsteady and unpredictable aerial environment. They generate and control aerodynamic forces by flapping their flexible wings. While the dynamic shape changes of their flapping wings are known to enhance the efficiency of their flight, they can also affect the stability of a flapping wing flyer under unpredictable disturbances by responding to the sudden changes of aerodynamic forces on the wing. In order to test the hypothesis, the gust response of flexible flapping wings is investigated numerically with a specific focus on the passive maintenance of aerodynamic forces by the wing flexibility. The computational model is based on a dynamic flight simulator that can incorporate the realistic morphology, the kinematics, the structural dynamics, the aerodynamics and the fluid–structure interactions of a hovering hawkmoth. The longitudinal gusts are imposed against the tethered model of a hovering hawkmoth with flexible flapping wings. It is found that the aerodynamic forces on the flapping wings are affected by the gust, because of the increase or decrease in relative wingtip velocity or kinematic angle of attack. The passive shape change of flexible wings can, however, reduce the changes in the magnitude and direction of aerodynamic forces by the gusts from various directions, except for the downward gust. Such adaptive response of the flexible structure to stabilise the attitude can be classified into the mechanical feedback, which works passively with minimal delay, and is of great importance to the design of bio-inspired flapping wings for micro-air vehicles.