变外形飞行器建模与控制方法研究

发布时间：2017-07-26 12:00

  本文关键词：变外形飞行器建模与控制方法研究

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【摘要】：变外形飞行器能够解决传统飞行器在大空域、大速域和多任务飞行时在气动外形设计上的矛盾。近年来随着世界形势的发展和新材料新技术的涌现,继上世纪的变后掠飞机之后,变外形飞行器又成为国内外的研究热点。但是变外形飞行器气动构型复杂、动力学参数变化剧烈,对其的数学模型建立和控制系统设计带来很大挑战。本文以此为研究背景,围绕建模和控制两个方面,针对一类变外形飞行器——变后掠变展长飞行器,开展了总体与气动外形优化、多刚体动力学、纵向和横侧向控制研究,力图完整和深入地描述变后掠变展长飞行器的特性,为变外形飞行器的实用化提供参考。本文主要开展了以下几项工作:针对变后掠变展长飞行器的多学科耦合的总体和气动优化设计问题,提炼了关键的5个设计变量和3个设计指标,提出了一种基于Kriging代理模型、CAD参数化和CFD自动化的变外形飞行器优化设计平台。依据该平台,得到了变后掠变展长飞行器的最优气动外形Pareto解集。对比优化之前,飞行器的3个设计指标均有了明显改善。对最优外形进行进一步的CFD分析,结果表明所设计的飞行器能够在小后掠大展长状态以最高升阻比低速飞行,能够在大后掠小展长状态以最低阻力高速飞行,也表明了变展长和变后掠的必要性。针对变后掠变展长飞行器动力学大时变、强耦合导致的建模困难的问题,提出了一种多刚体动力学建模方法。首先引入固连于机身质心的机体坐标系,将机身的运动等效为飞行器的运动,随后基于Newton-Euler方法,对各个刚体进行独立分析,最终得到完整的多刚体动力学方程,导出了由变形所产生的附加力和附加力矩项。其中附加力矩由两部分组成:变形重力力矩和变形动态力矩。由于运动方程的建立始终是以机身为主,动力学方程中避免了转动惯量导数的出现,使得变外形动力学问题的分析大大简化。最后通过非线性仿真得到了不同变形形式和变形速度下的动态响应规律。针对变后掠变展长飞行器在变形时状态参数变化剧烈、难以用常规的方法进行控制的问题,采用Jacobian方法建立了纵向LPV模型,提出了一种基于Lyapunov二次稳定理论和LMI的LPV-GS状态反馈控制器,实现了变后掠变展长飞行器变形过程的全局稳定。另外考虑在变形过程中同时进行速度改变,以实现外形状态与飞行状态的同步统一。首先设计了参数依赖的降维状态观测器来估计攻角输出,随后设计了一种基于多胞形定理和最优理论的增益调度控制器。非线性仿真表明,所设计的控制器能够使飞行器在变形时保持高度稳定,并且对速度指令也有良好的跟踪。针对变后掠变展长飞行器的横侧向控制中滚转效率较低的问题,研究了不对称变形控制问题。首先研究了不对称变形实现滚转的机理,提出了不对称变形的展长舵概念和不对称变形差动等效方法,建立了横侧向LPV模型。之后针对展长舵突发故障进行了故障建模,提出一种基于Gopinath方法的参数依赖增广状态故障观测器,该观测器在考虑干扰的情况下故障观测器仍能够准确估计系统故障。最后基于LMI方法设计了一种LPV-H?-GS输出反馈控制器,仿真结果表明:在无故障情况下,系统在全局都保持了良好的性能;针对执行器可能的卡死故障,提出了一种主动容错控制器,根据观测到的故障大小在原鲁棒H?控制器基础上重构控制器,避免了在线求解LMI,仿真结果表明,在执行器突发故障后控制器也能够满足控制要求。
【关键词】：变外形飞行器 气动外形优化 多刚体动力学 线性矩阵不等式 LPV控制 不对称变形控制 故障补偿
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第1章 绪论18-39
• 1.1 研究背景18
• 1.2 研究意义18-20
• 1.3 变外形飞行器概况20-30
• 1.3.1 变外形飞行器分类20-21
• 1.3.2 变外形飞行器项目21-25
• 1.3.3 变外形飞行器研究进展25-30
• 1.4 变外形飞行器关键技术30-37
• 1.4.1 总体与气动外形设计30-33
• 1.4.2 变外形飞行器动力学建模33-34
• 1.4.3 变外形飞行器控制技术34-37
• 1.5 本文主要工作37-39
• 1.5.1 主要研究内容37-38
• 1.5.2 论文结构安排38-39
• 第2章 变外形飞行器建模与控制理论39-53
• 2.1 引言39
• 2.2 气动力理论分析与CFD分析模型39-46
• 2.2.1 理论分析40-43
• 2.2.2 CFD分析43-46
• 2.3 线性矩阵不等式与线性变参系统46-52
• 2.3.1 线性矩阵不等式46-49
• 2.3.2 线性变参系统49-52
• 2.4 本章小结52-53
• 第3章 变外形飞行器总体与气动外形优化设计53-70
• 3.1 引言53-54
• 3.2 变外形飞行器总体方案设计54-56
• 3.2.1 基准无人飞行器54
• 3.2.2 气动布局设计54-56
• 3.3 基于Kriging的气动外形优化设计56-61
• 3.3.1 优化模型建立56-59
• 3.3.2 代理模型设计59-61
• 3.4 一体化优化设计平台的建立61-64
• 3.4.1 CAD参数化设计62
• 3.4.2 CFD自动化设计62-63
• 3.4.3 交互界面63-64
• 3.5 优化结果对比64-67
• 3.5.1 Pareto解集64-65
• 3.5.2 优化前后对比65-67
• 3.6 最优外形气动性能分析67-69
• 3.7 本章小结69-70
• 第4章 变外形飞行器多刚体建模与动态响应分析70-90
• 4.1 引言70
• 4.2 基本坐标系及转换关系70-73
• 4.2.1 基本坐标系70-71
• 4.2.2 转换关系71-73
• 4.3 多刚体动力学建模73-82
• 4.3.1 质心运动动力学方程74-75
• 4.3.2 附加力的导出75-77
• 4.3.3 绕质心转动动力学方程77-79
• 4.3.4 附加力矩的导出79-80
• 4.3.5 纵向动力学方程80-82
• 4.4 动态响应规律与分析82-88
• 4.4.1 后掠角变化时的动态响应82-84
• 4.4.2 展长变化时的动态响应84-86
• 4.4.3 展长和后掠角同时变化时的动态响应86-87
• 4.4.4 附加力和附加力矩分析87-88
• 4.5 本章小结88-90
• 第5章 变外形飞行器纵向LPV变形稳定控制研究90-120
• 5.1 引言90-91
• 5.2 变外形飞行器LPV模型的建立91-99
• 5.2.1 Jacobian线性化91-96
• 5.2.2 控制参数分析96-97
• 5.2.3 纵向LPV模型的建立97-99
• 5.3 LPV模型的多胞形转换99-100
• 5.3.1 多胞形99
• 5.3.2 仿射参数依赖系统的多胞形99-100
• 5.4 变形稳定状态反馈控制器设计100-110
• 5.4.1 参数依赖状态反馈控制器100-103
• 5.4.2 变形过程仿真分析103-107
• 5.4.3 考虑不确定性的变形过程仿真107-110
• 5.5 考虑速度的变形稳定控制器设计110-118
• 5.5.1 控制模型分析110-111
• 5.5.2 顶点控制器设计111-113
• 5.5.3 基于Gopinath方法的降维观测器113-115
• 5.5.4 考虑速度的变形过程仿真115-118
• 5.6 本章小结118-120
• 第6章 变外形飞行器横侧向不对称变形控制研究120-142
• 6.1 引言120
• 6.2 不对称变形控制滚转机理120-123
• 6.2.1 不对称变形受力分析120-122
• 6.2.2 不对称变形差动等效方法122-123
• 6.3 控制模型的建立123-130
• 6.3.1 横侧向运动线性化123-125
• 6.3.2 LPV模型的建立125-128
• 6.3.3 不对称变形控制效果分析128-130
• 6.4 执行器故障观测器设计130-132
• 6.4.1 故障建模130-131
• 6.4.2 故障观测器设计131-132
• 6.5 无故障下的LPV鲁棒H?控制器设计132-138
• 6.5.1 输出反馈控制器132-135
• 6.5.2 输出反馈控制器解法135-136
• 6.5.3 仿真分析136-138
• 6.6 有故障下的主动容错控制器设计138-141
• 6.6.1 故障补偿器设计138-139
• 6.6.2 仿真分析139-141
• 6.7 本章小结141-142
• 结论与展望142-146
• 参考文献146-158
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单158-159
• 致谢159-160
• 作者简介160

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1 杨贯通;变外形飞行器建模与控制方法研究[D];北京理工大学;2015年

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本文编号：576247