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目前,传感器无人机已经成为世界各航空大国竞相研究的热点。本文就亚音速传感器无人机的机翼颤振主动抑制这一关键技术进行了一系列的研究和仿真。具体研究内容包括机翼空间状态模型的建立以及相应控制器的求取与数值仿真。其中建模方面包括二元机翼的状态空间建模和三元机翼的有限元建模。
由于传感器无人机高空长航时的性能要求,这种无人机机翼普遍的特点是大展弦比或超大展弦比布局,重量轻且柔性大。本文首先分析了二元机翼运动的气动弹性过程,进行了二元机翼颤振的模态分析。采用西奥道生非定常气动力模型,建立了二元机翼的气动弹性状态空间模型,并分别设计了次最优控制律和LQG/LTR控制器来抑制二元机翼的颤振。接下来,本文结合工程梁单元模型,采用有限元法,分别求取了三元机翼的全质量矩阵、全刚度矩阵和全阻尼矩阵,进而建立了带后缘控制面的三元机翼的气动弹性运动状态空间方程。
文章的核心部分是对三元机翼颤振抑制主动控制律的设计和数值仿真。针对带操纵面的三元机翼的状态空间模型,分别设计了LQR控制器、LQG控制器、H∞控制器。闭环控制系统的数值仿真结果表明:这三种控制器均能有效地提高机翼的颤振临界速度,抑制颤振的发生。由于传感器无人机在飞行过程中不可避免地存在干扰的影响,本文引入外界阵风扰动和传感器内部白噪声,并设计了LQG控制器和H∞控制器。数值仿真结果表明这两种控制器均能很好地抑制干扰,提高传感器无人机的颤振临界速度,增幅达20%以上,达到了抑制颤振的目的。在两种控制器的效果对比中,可以得出H∞控制较LQG控制能更大程度地降低颤振频率,提高颤振临界速度,增幅高达33%,表现出更强的的鲁棒性。
最后,本文还总结了研究中存在的不足,如作动器的建模误差。文章还指出了机翼颤振抑制的更优越的控制器,如提出了三元机翼颤振抑制的分布式控制。最后文章就机翼的颤振系统与飞行控制系统的综合进行了展望。