本文關(guān)鍵詞：變外形飛行器建模與控制方法研究

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【摘要】：變外形飛行器能夠解決傳統(tǒng)飛行器在大空域、大速域和多任務(wù)飛行時(shí)在氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)上的矛盾。近年來隨著世界形勢(shì)的發(fā)展和新材料新技術(shù)的涌現(xiàn),繼上世紀(jì)的變后掠飛機(jī)之后,變外形飛行器又成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。但是變外形飛行器氣動(dòng)構(gòu)型復(fù)雜、動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化劇烈,對(duì)其的數(shù)學(xué)模型建立和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來很大挑戰(zhàn)。本文以此為研究背景,圍繞建模和控制兩個(gè)方面,針對(duì)一類變外形飛行器——變后掠變展長飛行器,開展了總體與氣動(dòng)外形優(yōu)化、多剛體動(dòng)力學(xué)、縱向和橫側(cè)向控制研究,力圖完整和深入地描述變后掠變展長飛行器的特性,為變外形飛行器的實(shí)用化提供參考。本文主要開展了以下幾項(xiàng)工作:針對(duì)變后掠變展長飛行器的多學(xué)科耦合的總體和氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題,提煉了關(guān)鍵的5個(gè)設(shè)計(jì)變量和3個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo),提出了一種基于Kriging代理模型、CAD參數(shù)化和CFD自動(dòng)化的變外形飛行器優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。依據(jù)該平臺(tái),得到了變后掠變展長飛行器的最優(yōu)氣動(dòng)外形Pareto解集。對(duì)比優(yōu)化之前,飛行器的3個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)均有了明顯改善。對(duì)最優(yōu)外形進(jìn)行進(jìn)一步的CFD分析,結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的飛行器能夠在小后掠大展長狀態(tài)以最高升阻比低速飛行,能夠在大后掠小展長狀態(tài)以最低阻力高速飛行,也表明了變展長和變后掠的必要性。針對(duì)變后掠變展長飛行器動(dòng)力學(xué)大時(shí)變、強(qiáng)耦合導(dǎo)致的建模困難的問題,提出了一種多剛體動(dòng)力學(xué)建模方法。首先引入固連于機(jī)身質(zhì)心的機(jī)體坐標(biāo)系,將機(jī)身的運(yùn)動(dòng)等效為飛行器的運(yùn)動(dòng),隨后基于Newton-Euler方法,對(duì)各個(gè)剛體進(jìn)行獨(dú)立分析,最終得到完整的多剛體動(dòng)力學(xué)方程,導(dǎo)出了由變形所產(chǎn)生的附加力和附加力矩項(xiàng)。其中附加力矩由兩部分組成:變形重力力矩和變形動(dòng)態(tài)力矩。由于運(yùn)動(dòng)方程的建立始終是以機(jī)身為主,動(dòng)力學(xué)方程中避免了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量導(dǎo)數(shù)的出現(xiàn),使得變外形動(dòng)力學(xué)問題的分析大大簡化。最后通過非線性仿真得到了不同變形形式和變形速度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律。針對(duì)變后掠變展長飛行器在變形時(shí)狀態(tài)參數(shù)變化劇烈、難以用常規(guī)的方法進(jìn)行控制的問題,采用Jacobian方法建立了縱向LPV模型,提出了一種基于Lyapunov二次穩(wěn)定理論和LMI的LPV-GS狀態(tài)反饋控制器,實(shí)現(xiàn)了變后掠變展長飛行器變形過程的全局穩(wěn)定。另外考慮在變形過程中同時(shí)進(jìn)行速度改變,以實(shí)現(xiàn)外形狀態(tài)與飛行狀態(tài)的同步統(tǒng)一。首先設(shè)計(jì)了參數(shù)依賴的降維狀態(tài)觀測(cè)器來估計(jì)攻角輸出,隨后設(shè)計(jì)了一種基于多胞形定理和最優(yōu)理論的增益調(diào)度控制器。非線性仿真表明,所設(shè)計(jì)的控制器能夠使飛行器在變形時(shí)保持高度穩(wěn)定,并且對(duì)速度指令也有良好的跟蹤。針對(duì)變后掠變展長飛行器的橫側(cè)向控制中滾轉(zhuǎn)效率較低的問題,研究了不對(duì)稱變形控制問題。首先研究了不對(duì)稱變形實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)的機(jī)理,提出了不對(duì)稱變形的展長舵概念和不對(duì)稱變形差動(dòng)等效方法,建立了橫側(cè)向LPV模型。之后針對(duì)展長舵突發(fā)故障進(jìn)行了故障建模,提出一種基于Gopinath方法的參數(shù)依賴增廣狀態(tài)故障觀測(cè)器,該觀測(cè)器在考慮干擾的情況下故障觀測(cè)器仍能夠準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)故障。最后基于LMI方法設(shè)計(jì)了一種LPV-H?-GS輸出反饋控制器,仿真結(jié)果表明:在無故障情況下,系統(tǒng)在全局都保持了良好的性能;針對(duì)執(zhí)行器可能的卡死故障,提出了一種主動(dòng)容錯(cuò)控制器,根據(jù)觀測(cè)到的故障大小在原魯棒H?控制器基礎(chǔ)上重構(gòu)控制器,避免了在線求解LMI,仿真結(jié)果表明,在執(zhí)行器突發(fā)故障后控制器也能夠滿足控制要求。
【關(guān)鍵詞】：變外形飛行器 氣動(dòng)外形優(yōu)化 多剛體動(dòng)力學(xué) 線性矩陣不等式 LPV控制 不對(duì)稱變形控制 故障補(bǔ)償
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V249.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第1章 緒論18-39
• 1.1 研究背景18
• 1.2 研究意義18-20
• 1.3 變外形飛行器概況20-30
• 1.3.1 變外形飛行器分類20-21
• 1.3.2 變外形飛行器項(xiàng)目21-25
• 1.3.3 變外形飛行器研究進(jìn)展25-30
• 1.4 變外形飛行器關(guān)鍵技術(shù)30-37
• 1.4.1 總體與氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)30-33
• 1.4.2 變外形飛行器動(dòng)力學(xué)建模33-34
• 1.4.3 變外形飛行器控制技術(shù)34-37
• 1.5 本文主要工作37-39
• 1.5.1 主要研究內(nèi)容37-38
• 1.5.2 論文結(jié)構(gòu)安排38-39
• 第2章 變外形飛行器建模與控制理論39-53
• 2.1 引言39
• 2.2 氣動(dòng)力理論分析與CFD分析模型39-46
• 2.2.1 理論分析40-43
• 2.2.2 CFD分析43-46
• 2.3 線性矩陣不等式與線性變參系統(tǒng)46-52
• 2.3.1 線性矩陣不等式46-49
• 2.3.2 線性變參系統(tǒng)49-52
• 2.4 本章小結(jié)52-53
• 第3章 變外形飛行器總體與氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)53-70
• 3.1 引言53-54
• 3.2 變外形飛行器總體方案設(shè)計(jì)54-56
• 3.2.1 基準(zhǔn)無人飛行器54
• 3.2.2 氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)54-56
• 3.3 基于Kriging的氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)56-61
• 3.3.1 優(yōu)化模型建立56-59
• 3.3.2 代理模型設(shè)計(jì)59-61
• 3.4 一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的建立61-64
• 3.4.1 CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)62
• 3.4.2 CFD自動(dòng)化設(shè)計(jì)62-63
• 3.4.3 交互界面63-64
• 3.5 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比64-67
• 3.5.1 Pareto解集64-65
• 3.5.2 優(yōu)化前后對(duì)比65-67
• 3.6 最優(yōu)外形氣動(dòng)性能分析67-69
• 3.7 本章小結(jié)69-70
• 第4章 變外形飛行器多剛體建模與動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析70-90
• 4.1 引言70
• 4.2 基本坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換關(guān)系70-73
• 4.2.1 基本坐標(biāo)系70-71
• 4.2.2 轉(zhuǎn)換關(guān)系71-73
• 4.3 多剛體動(dòng)力學(xué)建模73-82
• 4.3.1 質(zhì)心運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程74-75
• 4.3.2 附加力的導(dǎo)出75-77
• 4.3.3 繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程77-79
• 4.3.4 附加力矩的導(dǎo)出79-80
• 4.3.5 縱向動(dòng)力學(xué)方程80-82
• 4.4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律與分析82-88
• 4.4.1 后掠角變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)82-84
• 4.4.2 展長變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)84-86
• 4.4.3 展長和后掠角同時(shí)變化時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)86-87
• 4.4.4 附加力和附加力矩分析87-88
• 4.5 本章小結(jié)88-90
• 第5章 變外形飛行器縱向LPV變形穩(wěn)定控制研究90-120
• 5.1 引言90-91
• 5.2 變外形飛行器LPV模型的建立91-99
• 5.2.1 Jacobian線性化91-96
• 5.2.2 控制參數(shù)分析96-97
• 5.2.3 縱向LPV模型的建立97-99
• 5.3 LPV模型的多胞形轉(zhuǎn)換99-100
• 5.3.1 多胞形99
• 5.3.2 仿射參數(shù)依賴系統(tǒng)的多胞形99-100
• 5.4 變形穩(wěn)定狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)100-110
• 5.4.1 參數(shù)依賴狀態(tài)反饋控制器100-103
• 5.4.2 變形過程仿真分析103-107
• 5.4.3 考慮不確定性的變形過程仿真107-110
• 5.5 考慮速度的變形穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)110-118
• 5.5.1 控制模型分析110-111
• 5.5.2 頂點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)111-113
• 5.5.3 基于Gopinath方法的降維觀測(cè)器113-115
• 5.5.4 考慮速度的變形過程仿真115-118
• 5.6 本章小結(jié)118-120
• 第6章 變外形飛行器橫側(cè)向不對(duì)稱變形控制研究120-142
• 6.1 引言120
• 6.2 不對(duì)稱變形控制滾轉(zhuǎn)機(jī)理120-123
• 6.2.1 不對(duì)稱變形受力分析120-122
• 6.2.2 不對(duì)稱變形差動(dòng)等效方法122-123
• 6.3 控制模型的建立123-130
• 6.3.1 橫側(cè)向運(yùn)動(dòng)線性化123-125
• 6.3.2 LPV模型的建立125-128
• 6.3.3 不對(duì)稱變形控制效果分析128-130
• 6.4 執(zhí)行器故障觀測(cè)器設(shè)計(jì)130-132
• 6.4.1 故障建模130-131
• 6.4.2 故障觀測(cè)器設(shè)計(jì)131-132
• 6.5 無故障下的LPV魯棒H?控制器設(shè)計(jì)132-138
• 6.5.1 輸出反饋控制器132-135
• 6.5.2 輸出反饋控制器解法135-136
• 6.5.3 仿真分析136-138
• 6.6 有故障下的主動(dòng)容錯(cuò)控制器設(shè)計(jì)138-141
• 6.6.1 故障補(bǔ)償器設(shè)計(jì)138-139
• 6.6.2 仿真分析139-141
• 6.7 本章小結(jié)141-142
• 結(jié)論與展望142-146
• 參考文獻(xiàn)146-158
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單158-159
• 致謝159-160
• 作者簡介160

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1 楊貫通;變外形飛行器建模與控制方法研究[D];北京理工大學(xué);2015年

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本文編號(hào)：576247