基于气动力辨识的ASE模型降阶研究

CFD/CSD耦合计算能够准确预测跨音速段飞行器弹性振动的非定常气动力, 但其带来的巨大 计算量及高阶维数不利于气动弹性系统的分析与综合. 针对于此,采用系统辨识及 均衡截断技术对高阶气动伺服弹性模型进行降阶处理,并利用所得到的低阶模型进行系统综 合：(1) 基于Volterra级数气动力辨识技术,得到非定常气动力的时域降阶模型(ROM), 耦合结构动力学模型及控制机构动力学模型获得气动伺服弹性(ASE)状态空间方 程;(2) 利用均衡截段法对时域ASE模型进行进一步降阶,得到能够较真实反映所关心频域内系统响应 的低阶ASE模型;(3) 针对建模误差和降阶误差存在造成的系统不确定性问题,结合降阶模型 采用混合灵敏度$H_{\infty}$控制方法设计颤振主动抑制鲁棒控制律,保证其作用 于真实系统的有效性;对控制器进行 均衡阶段降阶并保持其鲁棒性,得到低阶鲁棒的颤振抑制控制器. 最后利用典型的BACT模型 进行气动伺服弹性的降阶及主动颤振抑制控制,仿真结果表明,基于ROM建立的低阶气动弹 性模型能够较真实地反应系统的颤振特性;而基于截断后的降阶模型所设计的低阶鲁棒控制 器能够有效应用于存在不确定性摄动的实际系统,并将系统颤振速度提高36%.     

不确定线性时滞系统模型参考自适应控制研究

以具有不确定参数和时滞的线性时滞系统为对象,开展时滞系统的模型参考自适应控制研究。首先利用时滞控制力项的差分方程对系统的状态变量进行增广,将时滞系统动力学方程变为形式上不含有时滞项的增广状态方程。然后根据时滞系统动力学方程和已确定的参数建立相应参考模型,并采用线性二次调节器(LQR)设计参考模型控制律,以保证闭环参考模型系统稳定。最后基于参考模型的LQR控制律,采用基于类观测器的模型参考自适应控制方法设计相应的自适应控制律。因此,针对原时滞系统动力学方程,本文所设计的时滞控制律由LQR控制律和自适应控制律两部分组成。数值仿真结果表明:本文所使用的基于LQR的自适应控制方法在系统参数和时滞不确定的情况下,能够有效地跟踪稳定的参考模型的动力学行为,从而对系统进行控制。该方法可以作为LQR控制方法的有益补充,进一步改善控制系统的动力学行为。     

抑制线振动台扰动的鲁棒自适应重复控制

针对线振动台系统中存在的非线性动态摩擦力及周期性纹波推力扰动,为获得线振动台较高的跟踪精度及鲁棒性能,提出了鲁棒自适应重复控制方法.该方法的控制律包含参数自适应控制、等效PID控制、重复空制和滑模控制.滑模控制用来镇定不确定性系统和保证自适应重复学习过程收敛,参数自适应律用来估计未知模型参数并予以补偿,重复控制用来抑制周期性扰动,提高周期性位置信号的跟踪性能.Lyapunov理论证明该控制律保证了闭环系统渐近稳定性.通过对线振动台系统仿真研究表明该控制律的有效性.     

机械轴承控制系统中的摩擦补偿

摩擦是机械轴承控制系统中最主要的扰动因素,也是影响系统低速跟踪性能的最主要因素。针对系统中动态摩擦力矩的影响,为了进一步提高系统的位置跟踪性能,提出一种重复自适应控制方法。该方法的控制律包含一个参数自适应律、等效PD控制律和一个重复控制律,其中,参数自适应律用来估计未知模型参数并予以补偿,而插入的重复控制器用来提高系统运行曲线的跟踪性能。系统中摩擦模型采用摩擦参数非一致性变化的LuGre动态模型。Lyapunov方法证明该补偿方法保证了闭环系统全局稳定性和对期望位置信号的渐近跟踪。最后,通过对控制系统的仿真研究验证了所提出方法的有效性。     

桁架系统的模型降阶及其主动控制研究

对桁架结构系统的模型降阶和主动控制进行了研究。系统模型采用有限元方法进行建模;模型降阶分别采用模态价值分析方法和内平衡降阶方法;控制设计采用最优控制方法。同时详细给出了模态价值分析方法和内平衡降阶方法的降阶过程,并将两者的结果进行了数值对比。仿真结果显示,两种降阶方法均能够有效地对桁架系统进行模型降阶,本文采用的最优控制律能够有效地抑制结构的振动。     

功能梯度材料动力学问题的POD模型降阶分析

为了快速分析非均质材料结构在复杂载荷作用下的动态响应,提出一种模型降阶方法,只需计算结构在简单均质材料情况下的动力学问题,进而用其计算结果对非均质材料结构进行分析.首先,采用结构内部任意一点处的材料参数值作为整个结构的材料参数,利用有限元分析软件计算该均质材料结构在动态载荷作用下的位移场建立数据库,该数据库包含计算模型各个节点(自由度为N)在某时间段内L个时刻的位移;其次,对数据库中的信息按照时间离散的特定方式组集成瞬像矩阵,并利用特征正交分解方法对其进行分解,得到该模型的L个特征正交基底,选取其中能反应模型主要特征的H个(其中HL?N)作为一组最优基底,通过这组基底建立模型的低阶离散控制方程;最后,求解低阶离散微分方程组,得到功能梯度材料结构在复杂载荷作用下的位移场.文中分别给出二维和三维算例,比较了降阶模型和全阶模型计算结果,验证了该方法的有效性,并且计算效率能提高1～2个数量级.     

基于微分包含的绳系卫星时间最优释放控制

考虑系绳弹性的影响,建立了绳系卫星系统三维动力学模型,研究了在状态和控制约束下的绳系卫星非线性时间最优控制问题. 为缩减系统变量,控制律设计没有采用通常的状态空间模型,而是基于二阶微分包含,将连续时间最优控制问题离散为大规模动态规化问题,最后通过数值模拟验证了该方法的有效性.      

数字式惯性平台稳定回路的离散变结构控制

为了实际实现具有良好跟踪精度和抗干扰能力的惯性平台稳定回路,建立了平台伺服电机的离散时间模型,设计了由单片机和高速DSP组成的数字控制系统,与惯性平台组成了基于采样数据的平台稳定控制回路,研究了离散变结构控制趋近律的选取方法,采用改进趋近律设计了离散变结构控制律,提出了一种数字式平台稳定回路的离散变结构控制方法,通过实物实验得出了平台伺服电机转轴摩擦力矩模型系数的估计值,并将其引入到控制系统中.仿真实验结果表明,该回路系统对于摩擦力矩和系统参数不确定性具有一定的抗干扰性能,对于阶跃干扰力矩输入具有良好的动态特性,且静态力矩刚度提高到1.2×104 N.m/rad,系统对于斜坡和加速度输入信号实现了平稳跟踪,跟踪误差最大值分别为0.0056 rad和0.0597 rad.     

基于修正型罗德里格斯参数的三维刚体摆姿态控制

3D 刚体摆是研究地球静止轨道航天器的一个力学简化模型, 它绕一个固定、无摩擦的支点旋转, 具有3 个转动自由度. 文章给出基于修正型罗德里格斯(Rodrigues) 参数描述的3D 刚体摆的姿态动力学方程, 针对3D 刚体摆姿态和角速度稳定的非线性控制设计问题, 基于无源性控制理论利用能量法设计了3D 刚体摆的系统控制器, 并证明了系统满足无源性. 构造了系统的李雅普诺夫(Lyapunov) 函数, 利用能量法设计出3D 刚体摆的姿态控制律, 并由拉萨尔(LaSalle) 不变集原理证明了该控制律的渐近稳定性. 仿真实验给出了3D 刚体摆在倒立平衡位置的姿态和角速度的渐近稳定性, 仿真实验结果表明基于能量方法的3D 刚体摆姿态控制是有效的.     

带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂主动控制

对带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂的主动控制进行了研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果显示,本文控制方法能够有效地进行机械臂的轨迹跟踪,柔性臂的弹性振动可以得到有效抑制.     

DYNAMIC MODELING AND ACTIVE CONTROL OF FLEXIBLE PLATE BASED ON THE INPUT-OUTPUT DATA

This paper studies the low-order dynamic modeling and active control of a flexible plate and provides experimental verification. First based on the input-output data of the system, the Markov parameters of the system are identified using the method of observer/Kalman filter identification (OKID). Then a low-order state-space model is built using the eigensystem realization algorithm (ERA). Finally, a linear quadratic Gaussian (LQG) controller is designed based on the low-order state-space model. Experimental results have proved the effectiveness and feasibility of the research.     

Damage detection by system identification. An application of the generalized singular value decomposition

Summary A new method of damage detection is introduced. The mathematical formulation of the dynamical system is based on a state-space model. The physical system is measured and described by parameters of the state-space realization, which are estimated by the generalized singular value decomposition. Influence coefficients, evaluated from the parameters of the mathematical model, allow for damage detection. The suitability of the new method is demonstrated by an experimental model.     

Low-Dimensional Modeling of a Driven Cavity Flow with Two Free Parameters

By applying Proper Orthogonal Decomposition (POD) one is able to extract a limited amount of data which characterizes a flow of interest. The modes resulting from the decomposition form a basis in the phase space on which a Galerkin projection of the equations of motion can be performed. By carrying out such a procedure one obtains a low-dimensional model consisting of a reduced set of Ordinary Differential Equations (ODEs) which models the original equations. A technique called Sequential Proper Orthogonal Decomposition (SPOD) is developed to perform decompositions suitable for low-dimensional models. SPOD is capable of transforming data organized in different sets separately while still producing orthogonal modes. A low-dimensional model is constructed and used for analyzing bifurcations occurring in the flow in the lid-driven cavity with a rotating rod. The model allows one of the free parameters to appear in the inhomogeneous boundary conditions without the addition of any constraints. This is necessary because both the driving lid and the rotating rod are controlled simultaneously. Apparently, the results reported for this model are the first to be obtained for a low-dimensional model based on projections on POD modes for more than one free parameter. Received 29 October 2001 and accepted 27 August 2002 Published online 13 January 2003 Communicated by P. Hall     

MINIMAL POLYNOMIAL MATRIX AND LINEAR MULTIVARIABLE SYSTEM(Ⅱ)

part(Ⅰ) of this work is on the theory of minimal polynomial matrix and Part(Ⅱ)is onthe applications of this theory to linear multivarible systeme.In I of this part,using the theory to Part(Ⅰ),some results about input part of a linearmultivarble system are discussed in detail and in Ⅱ,using duality properties,the conceptsabout row n.p.m.and row generating system,etc.are given. and some results about outputpart of linear multivariable system are discussed, too.In Ⅲ,we discuss the approach whichcan give the polynomial model with less dimension from the state-space model and in Ⅳ wediscuss tha inverse of the problem to give the state-space model from the polynomial model.Some interesting examples are given to explain the theory and the approach.     

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%.      

基于非线性状态空间辨识的气动弹性模型降阶

高维、非线性气动弹性系统的模型降阶是当前气动弹性力学与控制领域的研究热点之一.然而国内外现有的非线性模型降阶方法仍存在辨识算法复杂、精度有待提高等问题.本研究提出了一种基于非线性状态空间辨识的跨音速气动弹性模型降阶方法. 首先,该方法基于非定常空气动力的单位脉冲响应数据,采用特征系统实现算法对非线性状态空间模型的线性动力学部分进行系统辨识. 其次,引入状态和控制输入的非线性函数, 采用优化算法对非线性函数的系数矩阵进行优化,进而得到考虑非线性效应的空气动力降阶模型.为了验证该降阶模型在预测跨音速气动弹性力学行为的精确性,本文以三维机翼为研究对象,分别从基于非线性降阶模型的气动力辨识、跨声速颤振边界计算和极限环振荡预测三方面进行了算例验证,并与现有的模型降阶方法进行了对比, 进一步说明本文所提出方法的有效性.研究结果表明, 该降阶模型对上述三类问题的计算精度与直接流-固耦合方法相吻合,可用于高效预测飞行器跨声速气动弹性力学行为.      

Modelling of Marangoni convection using proper orthogonal decomposition

Proper orthogonal decomposition (POD) is applied to Marangoni convection in a horizontal fluid layer heated from below and cooled from above with non-deformable free surface. We investigate two-dimensional Marangoni convection for the case of free-slip bottom in the limit of small Prandtl number. The POD technique is then used to the velocity and temperature data to obtain basis functions for both velocity and temperature fields. When these basis functions are used in a Galerkin procedure, the low-dimensional of Marangoni convection are constructed with the smallest possible degree of freedom. The results based on this low-dimensional model are discussed.     

A Model for Deep Geothermal Brines,III: Thermodynamic Properties – Enthalpy and Viscosity

This paper, the third in our sequence on a model geothermal brine based on a H2O-NaCl system, proposes correlations for the thermodynamic properties of specific enthalpy and dynamic viscosity of brine. It follows a similar pattern to the second paper on the density correlations, that is formulae which closely approximate the specific enthalpy and dynamic viscosity are given in terms of the primary variables T (temperature), p (pressure) and X (mass fraction of sodium chloride). These correlations cover the entire T-p-X state-space and together with the density correlations, can be used in subroutines suitable for use in numerical simulation programs.     

A time-varying forgetting factor stochastic gradient combined with Kalman filter algorithm for parameter identification of dynamic systems

Parameter estimation problem of a class of observer canonical state-space system is considered in this paper. By means of the property of the shift operator, the space-state model is transformed into the input–output representations. Then, a time-varying forgetting factor stochastic gradient combined with Kalman filter algorithm is proposed. The proposed algorithm is based on interactively estimating unknown parameters to achieve all the parameters identification of the system. A numerical example is provided to verify the effectiveness of the proposed algorithm.