折叠翼飞行器多体动力学建模与控制

发布时间：2017-05-25 12:20

  本文关键词：折叠翼飞行器多体动力学建模与控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：变体飞行器能够在飞行过程中大范围地改变外部形状以获得最佳气动外形，从而适应不同的飞行任务需求。本文研究对象为洛克希德马丁公司设计的折叠翼飞行器，该方案将机翼分为两段，，通过机翼连接处的铰链驱动内外翼的折叠来改变机翼的几何形状。 折叠翼飞行器是一个由内外翼和机身五部分构成的多刚体系统，机翼折叠时，变体飞机的展弦比、机翼面积、惯性矩、全机气动焦点和重心都会发生改变，气动力和气动力矩也会随之改变。采用气动力准定常假设，利用DATCOM软件计算出七组中间构型下的气动参数，然后通过气动参数分析变形过程中飞行器的操纵性和稳定性。通过分析找到了气动参数随折叠角和迎角变化的规律，最后利用Matlab的曲线拟合工具箱得到了气动参数的拟合函数。 通过多体动力学理论和运动学原理建立了变体飞行器的系统模型，再经过解耦和小扰动线性化处理得到了纵向运动模型的线性微分方程表示。无控折叠响应表明：折叠过程中飞机掉高度明显，且折叠过程结束之后不能自主回到稳定状态，而是做长周期浮沉响应运动，所以需要设计鲁棒控制器来对折叠过程进行增稳控制。 由于系数矩阵含有时变参数机翼折叠角，可以利用凸分解方法将仿射参数依赖LPV模型表示为多胞形。利用仿射参数依赖Lyapunov函数方法设计了折叠过程鲁棒变增益状态反馈控制器，闭环仿真结果表明飞行器在整个机翼折叠过程中具有良好的动态性能，折叠过程结束之后飞行器也能快速回到稳定状态。 为了增加可视性和交互性，建立了折叠翼飞行器的三维模型，通过Simulink和虚拟现实工具箱对折叠过程进行联合仿真，在获得仿真结果和曲线的同时，能够直观地观测飞行器高度和姿态角的变化，从而可以增强对模型的理解，加速设计和测试进程。
【关键词】：变体飞行器 折叠翼 曲线拟合 多体动力学 动态响应 LPV系统 鲁棒控制
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V211
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 图表清单8-10
• 注释表10-11
• 缩略词11-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 引言12-14
• 1.2 课题来源14-15
• 1.3 国内外研究现状15-17
• 1.4 本文内容安排17-18
• 第二章 折叠翼飞行器气动数据计算18-29
• 2.1 引言18
• 2.2 气动数据的获取方式18-22
• 2.2.1 风洞实验18-20
• 2.2.2 计算流体力学20-21
• 2.2.3 工程估算 DATCOM21-22
• 2.3 DATCOM 计算气动数据的步骤22-28
• 2.3.1 输入文件的构成22-26
• 2.3.2 输出文件的构成26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 折叠翼飞行器气动数据分析与拟合29-38
• 3.1 引言29
• 3.2 气动数据分析29-34
• 3.2.1 气动数据整体分析29-32
• 3.2.2 气动数据随折叠角变化规律32-33
• 3.2.3 纵向静稳定性和操纵性分析33-34
• 3.3 气动数据拟合34-37
• 3.3.1 气动数据拟合方法介绍34
• 3.3.2 气动数据拟合曲线和拟合函数34-37
• 3.4 本章小结37-38
• 第四章 折叠翼飞行器多体动力学建模和动稳定性分析38-50
• 4.1 引言38
• 4.2 飞机整体外形参数38-39
• 4.3 相关假设和坐标轴系选取39-41
• 4.3.1 基本假设39
• 4.3.2 坐标轴系选取39-41
• 4.4 折叠翼飞行器动力学建模41-47
• 4.4.1 动力学方程41-43
• 4.4.2 小扰动线性化43-47
• 4.5 无控动态响应分析47-49
• 4.5.1 变体飞机的配平47-48
• 4.5.2 动态响应仿真和分析48-49
• 4.6 本章小结49-50
• 第五章 折叠翼飞行器变形稳定控制律设计50-65
• 5.1 引言50
• 5.2 系统模型分析50-52
• 5.3 仿射参数依赖 Lyapunov 函数鲁棒变增益控制方法52-56
• 5.3.1 LPV 模型介绍52-53
• 5.3.2 稳定性分析53-55
• 5.3.3 状态反馈控制律设计方法55-56
• 5.4 折叠翼飞行器变形稳定控制律设计56-59
• 5.4.1 控制系统建模56-58
• 5.4.2 仿真分析58-59
• 5.5 折叠翼系统虚拟现实联合仿真59-64
• 5.5.1 VRML 编程语言和 3ds Max 建模60-61
• 5.5.2 Matlab 的虚拟现实工具箱61-62
• 5.5.3 虚拟现实和 Simulink 联合仿真62-64
• 5.6 本章小结64-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 全文工作总结65-66
• 6.2 后续工作展望66-67
• 参考文献67-71
• 致谢71-72
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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2 赵育善,余旭东,马彩霞,王焘;折叠翼展开过程仿真研究[J];弹箭与制导学报;1997年02期

3 陆宇平;何真;吕毅;;变体飞行器技术[J];航空制造技术;2008年22期

4 李毅;王生楠;;变体飞行器结构振动特性研究[J];航空计算技术;2006年06期

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1 李文强;LPV系统鲁棒变增益控制研究及其应用[D];国防科学技术大学;2009年

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本文编号：393721