自主飞艇俯仰角动力学建模及其尾翼结构参数的确定

针对特定结构的平流层信息平台-自主飞艇，分析了影响飞艇俯仰角姿态变化的各个作用力，建立飞艇俯仰角姿态动力学模型，在此基础上确定出适合飞艇工作特点的尾翼翼型，从力学平衡原理、能耗最小原理及边界条件出发，提出了一种估算飞艇尾翼结构参数的方法。进行的数字仿真实验验证了所建立的飞艇俯仰角姿态动力学模型的正确性及文章提出的尾翼结构参数确定方法使得飞艇在动力学特性上具有的优点。     

改变飞艇重心位置控制纵向运动

本文针对目前平流层飞艇的运动控制效率较低的问题,重点研究了改变平流层飞艇重心的轴向位置来控制飞艇的纵向运动。首先讨论了考虑飞艇重心位置的力和力矩平衡,并利用德国斯图加特大学风洞试验的数据,进行了算例分析。然后和常用的升降舵控制进行效率比较,得出了在空气密度较低的平流层采用改变重心位置比舵面控制具有优越性的结论。最后提出了改变飞艇重心位置的方法。     

平流层飞艇气动参数辨识

进入21世纪以来,随着科技的飞速发展,世界上掀起了研究和开发平流层平台的热潮。飞艇作为平流层平台可以实现无线通信、空间观测、大气测量以及军事侦查等目的。本文首先将飞艇所受的气动力分成由于来流速度产生的定常气动力和飞艇转动引起的非定常气动力两部分,通过理论分析建立了飞艇的气动力模型,从而得到需要辨识的气动参数。其次建立了以浮心为原点的六自由度非线性动力学模型和一种基于混合遗传算法的气动力系数辨识方法——混合遗传算法（遗传算法＋单纯型法）与极大似然法相结合的方法,并利用该方法对飞艇的气动参数进行辨识。通过仿真结果验证了该方法实用性和有效性。最后通过对气动参数的准确值与辨识值的分析比较,得出各个参数对飞艇运动性能的影响情况。     

飞艇最优飞行轨迹研究

目前，各国对无人飞艇平台的研究产生了很大的兴趣，飞艇作为平台可以实现无线通信、环境监测和监视等目的。本文通过采用最优控制问题的数值计算方法得到飞艇在不同性能指标下的最优飞行轨迹。飞艇的动力学模型采用六自由度非线性模型。飞艇采用安装在飞艇轴向由直流电机带动的螺旋桨作为动力。通过螺旋桨、方向舵和升降舵对飞艇进行控制。控制消耗的能量作为控制变量的函数。采用直接配点法与由遗传算法和单纯形法构成的混合参数优化方法得到飞艇在不同条件下的最优轨迹。     

平流层飞艇绕流场与柔性变形的数值模拟

处于平流层流场中的飞艇,其整体刚度较小,为柔性体,可视为弹性薄膜结构,外围的流场的状态分布与其形状有着密切的关系,从本质上说是一个流固耦合问题。本论文以此为背景,分析了平流层飞艇的外围流场与柔性蒙皮变形的非动态耦合关系。我们采用叠代计算方法来处理这一问题,其中飞艇的三维流场的计算本文采用基于有限体积法的压力修正SIMPLE算法,而飞艇弹性变形的数值模拟计算应用了薄壳无矩理论。本文比较了气动弹性变形和静态超压变形两种不同情况下的飞艇流场压力分布以及气动参数,分析了飞艇变形与流动参数、气动荷载变化的关系。     

考虑气压效应平流层平台柔性飞艇变形分析方法与特征研究

为研究气压对平流层飞艇变形性能的影响,基于铁木辛柯梁分析理论,将低阻尼流线形飞艇假设为分段等截面充气梁,采用叠加法推导了考虑气压效应的柔性飞艇总体挠度计算式。同时,将柔性飞艇作为预应力薄膜结构,应用ANSYS软件,采用小杨氏模量法进行充气预应力找形,并基于找形结果进行载荷下非线性变形分析。在此基础上计算了飞艇外气囊在不同头部荷载与气压下的总体挠度并比较了两种方法的计算值,发现两者变化趋势一致。最后,建立了25 m验证飞艇的计算模型,得到了控制点应力和总体变形;给出了飞艇下腹线在不同气压下的位形,将其与测量值进行比较表明:计算值和测量值基本相等,误差小于5%。本文对大型柔性飞艇设计分析具有一定的参考价值。     

机械系统摩擦动力学研究进展

摩擦环节对机械系统动力学行为有重要、甚至可能是关键的影响. 深入研究摩擦及摩擦动力学特点,对于解决机械系统中摩擦带来的不利影响, 发挥其有利作用, 是非常重要的. 本文介绍和评述了机械系统摩擦动力学的研究进展, 包括常用的摩擦模型及其特性, 摩擦系统自激振动、强迫振动和摩擦振动控制等. 除理论研究方法之外, 重点讨论了制动噪声振动、摩擦耗能和多领域摩擦振动控制等摩擦动力学的应用研究.     

中心刚体-柔性梁系统的最优跟踪控制

对考虑阻尼影响的中心刚体-柔性梁系统的动力特性和主动控制进行研究. 研究 中考虑了3种动力学模型：一次近似耦合模型、一次近似简化模型和线性化模型. 一次近 似模型中同时考虑了柔性梁的轴向变形和横向变形. 若在一次近似耦合模型中忽略轴向变 形的影响,则可得出一次近似简化模型. 线性化模型是对一次近似简化模型的线性化处理. 另外研究中考虑了3种阻尼因素：结构阻尼、风阻、中心刚体轴承处的阻尼. 控制设计采 用最优跟踪控制方法. 给出了从物理测量中提取模态坐标的滤波器方法. 研究结果显 示,一次近似简化模型能够有效地对系统的动力学行为进行描述;阻尼对系统的动力学特 性有着重要影响;当系统大范围运动为低速时,模态滤波器能够较好地提取出控制律所需 的模态坐标,最优跟踪控制方法能够使得系统跟踪所期望的运动轨迹,并且柔性梁的弹性 振动可得到抑制.     

平流层飞艇空气动力估算

本文采用有限基本解方法与工程估算方法相结合的气动力工程计算方法,用以计算平流层飞艇的气动力。将飞艇所受的气动力分成飞艇艇身和尾翼所受气动力两部分,每一部分的气动力按照无粘性流产生的线性气动力和粘性引起的非线性气动力分别进行计算。根据势流理论对飞艇艇身线性气动力进行分析计算,由于飞艇艇体是旋成体,故根据Allen的横流阻力理论对其所受的非线性气动力进行计算;尾翼的线性气动力采用有限基本解方法进行计算,非线性气动力用Polhamus-Lamar吸力比拟方法估算。该方法中考虑了由于尾翼安装在体上后,处于艇体产生的上洗流场中,尾翼气动力的变化和尾翼对艇身气动力的干扰作用。通过算例的计算与实验结果比较得出该方法可以快速、准确的计算飞艇所受的气动力。     

储液罐动力学与控制研究进展

阐述了储液罐动力学与控制的工程应用背景, 从3个方面回顾了储液罐动力学与控制的研究进展, 即: 储液罐类液体晃动动力学、液体晃动等效力学模型和储液罐多体系统动力学与控制. 其中对储液罐类液体晃动动力学的研究成果从解析方法和数值方法两方面进行了概述; 在储液罐多体系统动力学中概述了车载、船载储液罐系统动力学和充液航天器固--液--控耦合动力学近年来的研究成果.对今后需要进一步开展的研究方向进行了展望.      

AIRSHIP ATTITUDE TRACKING SYSTEM

The attitude tracking control problem for an airship with parameter uncertainties and external disturbances was considered in this paper. The mathematical model of the airship attitude is a multi-input/multi-output uncertain nonlinear system. Based on the characteristics of this system, a design method of robust output tracking controllers was adopted based on the upper-bounds of the uncertainties. Using the input/output feedback linearization approach and Liapunov method, a control law was designed, which guarantees that the system output exponentially tracks the given desired output. The controller is easy to compute and complement. Simulation results show that, in the closed-loop system, precise attitude control is accomplished in spite of the uncertainties and external disturbances in the system.     

DYNAMIC MODELING FOR AIRSHIP EQUIPPED WITH BALLONETS AND BALLAST

IntroductionAirships have an enormous, yet untapped potential as low-speed, or even steadyplatforms for aerial exploration, monitoring, and surveillance, as well for transportation andtelecommunication purposes[1]. Similar to the underwater vehicle, airsh…     

近地球赤道面椭圆轨道上磁性刚体航天器的混沌姿态运动及其控制

研究在地球万有引力场和磁场中具有结构内阻尼的磁性刚体航天器在近赤道椭圆轨道上平面天平动的混沌行为及其控制。应用Melnikov方法建立了系统存在横截异宿点的条件。分别采用功率谱和Lyapunov指数等数值方法对系统动力学行为进行识别。应用逆系统控制和局部逆系统控制将混沌姿态运动控制为给定的平衡点。     

Flight dynamics and control of flapping-wing MAVs: a review

This paper provides a thorough review of the significant work done so far in the area of flight dynamics and control of flapping-wing micro-air-vehicles (MAVs). It provides the background necessary to do research in that area. Furthermore, it raises questions that need to be addressed in the future. The three main blocks constituting the flight dynamic framework of flapping MAVs are reviewed. These blocks are the flapping kinematics, the aerodynamic modeling, and the body dynamics. The design and parametrization of the flapping kinematics necessary to produce high-control authority over the MAV, as well as design of kinematics suitable for different flight conditions, are reviewed. Aerodynamic models used for analysis of flapping flight are discussed. Particular attention is given to the physical aspects captured by these models. The issues and consequences of averaging the dynamics and neglecting the wing inertia are discussed. The dynamic stability analysis of flapping MAVs is usually performed by either averaging, linearization and subsequent analysis or using Floquet theory. Both approaches are discussed. The linear and nonlinear control design techniques for flapping MAVs are also reviewed and discussed.     

航天器动力学与控制的研究进展与展望

开展航天器动力学与控制的研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用, 其目的在于发展有效的方法促使航天器在各阶段平稳可靠地运行. 航天器技术发展迅速, 其形式日趋多样化, 功能与构造日趋复杂,已经向大型空间站、微小卫星、深空探测等方向发展. 航天器结构表现出多耦合、非线性、极端外界环境, 以及大尺度柔性结构等特征, 由此激发起航天器动力学与控制领域各方向的深入研究. 航天器动力学与控制的研究方法覆盖理论分析、数值仿真, 以及实验模拟等诸多方面, 研究内容十分丰富. 本文概括介绍了近年来航天器动力学与控制研究方面的发展状况, 综述了跨航天器动力学与控制、航天器系统级动力学与振动控制、航天器部件级动力学与振动控制等航天领域中的若干基础问题. 内容主要集中于航天领域中不同应用范围、不同层次结构的航天器动力学模型的建立和动力学响应与振动控制的研究方法及已取得的成果. 最后, 提出了该领域中值得进一步考虑的科学问题及未来的发展方向.      

海上浮动机场动力学建模及非线性动力响应特性

海上浮动机场由多个浮体模块柔性连接组成, 是一个典型的刚柔流耦合的多振子网络系统. 从网络动力学角度提出一个新的建模方法, 构建了具有链式拓扑结构特征的海上浮动机场非线性力学模型. 数值仿真分析了浮动机场的非线性响应和连接件载荷, 表明线性分析方法可能严重低估了实际情况. 探讨了浮体模块响应的网络协同效应, 以及"振幅死亡" 现象. 初步探讨了振幅死亡与连接件刚度参数和波浪周期的关系, 对海上浮动机场的稳定性设计具有特殊意义. 为研究非线性网络结构动力学问题, 包括大型海上浮体结构, 提供一个新的分析工具和应用范例.      

多自由度非线性随机系统的响应与稳定性

响应与稳定性分析一直是随机动力学研究的热点, 发展预测随机响应及判定系统响应性态的方法具有重要的科学意义与广阔的应用前景. 本文综述了有关多自由度非线性随机系统的响应与稳定性的研究. 首先简介用于随机系统响应预测的Fokker-Planck-Kolmogorov方程法、随机平均法、等效线性化法、等效非线性系统法和Monte Carlo模拟法, 评述其优缺点, 进而讨论了多自由度非线性随机系统响应的精确平稳解、近似瞬态解的研究现状. 然后介绍了随机系统稳定性分析的两类方法, 即Lyapunov函数法及Lyapunov指数法,并综述了多自由度非线性随机系统稳定性分析的研究现状. 最后给出几点发展建议.     

A feedback linearization design for the control of vehicle’s lateral dynamics

In this paper, the feedback linearization scheme is applied to the control of vehicle’s lateral dynamics. Based on the assumption of constant driving speed, a second-order nonlinear lateral dynamical model is adopted for controller design. It was observed in (Liaw, D.C., Chung, W.-C. in 2006 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, 2006) that the saddle-node bifurcation would appear in vehicle dynamics with respect to the variation of the front wheel steering angle, which might result in spin and/or system instability. The vehicle dynamics at the saddle node bifurcation point is derived and then decomposed as an affine nominal model plus the remaining term of the overall system dynamics. Feedback linearization scheme is employed to construct the stabilizing control laws for the nominal model. The stability of the overall vehicle dynamics at the saddle-node bifurcation is then guaranteed by applying Lyapunov stability criteria. Since the remaining term of the vehicle dynamics contains the steering control input, which might change system equilibrium except the designed one. Parametric analysis of system equilibrium for an example vehicle model is also obtained to classify the regime of control gains for potential behavior of vehicle’s dynamical behavior.