无缝连续控制面柔性翼飞行器飞行动力学建模与控制问题研究

建立精确有效的柔性翼飞行器飞行动力学模型是分析飞行器稳定性、动态响应以及进行控制系统设计的重要条件。柔性机翼已将升力面和控制面融为一体，机翼的结构变形、气动非定常以及形变控制使得柔性翼飞行器的刚体和弹性体之间的耦合更为显著。本项目以带有无缝连续变形翼的小型飞行器为研究对象，在数学仿真可验证以及控制系统设计可利用的要求下，探索其飞行动力学建摸方法。具体内容包括：分析柔性机翼在气动力/弹性力/控制力作用下动态特性，探索不同速度下保证机翼具有最优气动及控制效率的形变规律；构造基于平均轴系的飞行动力学方程，应用已有的柔性机翼结构/气动模型，计算考虑机翼柔性变形后的气动力与力矩，利用数值仿真对所建立的飞行动力学模型进行验证；提炼机翼形变控制特征变量，完成柔性机翼形变控制优化设计。本项目涉及结构动力学、空气动力学以及智能控制等领域。研究结果为新型柔性飞行器的设计和相应控制策略的研究提供理论支持。

本项目以小型柔性翼飞行器为对象，主要研究了柔性翼飞行器飞行动力学相关问题。取得如下成果：基于拉格朗日方程推导了考虑刚性自由度和弹性自由度强耦合的柔性翼飞行器动力学模型；对非定常涡格方法进行改进，使之适用于小型柔性翼飞行器非定常气动力的时域仿真计算，具有较高的工程应用价值；对非线性动力学模型和进行了小扰动线性化处理，得到了状态空间形式的动力学模型；对柔性翼飞行器的动稳定性进行了分析研究，得到很多有益的结论；分析了柔性翼飞行器的动态特性和阵风响应特性，并且针对小型柔性翼飞行器的特点提出阵风载荷减缓方案并设计了鲁棒控制器；对柔性翼飞行器进行了优化设计研究，在优化过程中考虑了阵风载荷减缓控制器，使得机翼结构重量明显降低。