摇荡舰基作业的飞机牵引系统转向失稳特性与控制研究

The imprevision of cornering instability leads to sideslip, shimmy or further develops into jackknife and finally causes loss of maneuverability. Thus, exploring the complex nonlinear dynamic behavior radically in steering operation is essential to improve the system steering stability. Firstly, with the consideration of ship motion special environment at sea, considering the effects of ship motion influenced by irregular wave on carrier aircraft traction system, a multi-degree of freedom, time-varying, nonlinear carrier aircraft traction system dynamic model is established. Programmable the derivation process of carrier aircraft traction system dynamic equations is. achieved by software compilation and module construction. A calculation platform is built to study system response under different working condition parameters. Then static bifurcation of steady-state cornering destabilization is discussed based on the calculation platform. In accordance with the Hurwitz criteria, the stable regions for system stead-state steering are obtained. The effects of major structure parameters on critical stable regions are analyzed. Finally, based on nonlinear state manifold theory, the dynamic mechanism of aircraft traction system steady-state and non-steady-state cornering has been studied. Methods of real-time forecasting the steady-state cornering destabilization have been discussed. The nonlinear bifurcation analysis results are employed directly into decision of system stability control logic. This idea provides theoretical basis and guidance for tractor drivers.

对舰载机牵引系统转向失稳现象的不可预见将产生侧滑、横向摆振等危险工况，进一步发展到折叠而完全失控。因而，从根本上探讨其转向操作时复杂的非线性动力学行为，对提高系统转向稳定性具有重要意义。本项目首先，综合考虑受不规则海浪影响的舰船运动对舰载机牵引系统的影响，建立多自由度、时变、非线性舰载机牵引系统动力学模型，通过编译软件及模块搭建实现舰载机牵引系统动力学方程组推导过程的程序化，为研究不同工况参数下的系统响应提供解算平台。之后以系统动力学模型解算平台为基础，研究舰载机牵引系统稳态转向失稳的静态分岔特性，根据Hurwitz判据分析舰载机牵引系统可稳态转向的稳定区域并研究系统结构参数对临界稳定区域的影响。最后，应用非线性动力学的状态流形理论研究稳态和非稳态转向失稳的动态机制，探讨牵引系统稳态转向失稳的预警方法，将结果与驾驶员对牵引车前轮输入相结合应用于稳定性控制，为驾驶员操作提供了理论指导及依据。

在风、浪、流等海洋环境的干扰下，飞机牵引车在调运空间拥挤狭小的飞行甲板上必须能安全可靠、快速灵活地调运舰载机。行驶工况的多变性促使了舰载机牵引系统横向稳态的复杂性。极限工况如紧急避障、响应突然横风和驾驶员的误转向等操作下的牵引系统的转向行为与常规工况相去甚远。.本项目针对海洋特殊环境建立了包含侧向、纵向和横摇运动在内的四自由度舰载机牵引系统动力学模型及其解算平台。以系统动力学模型解算平台为基础，在不同海况等级下对系统进行转向牵引仿真；根据Hurwitz判据判断各工况对应的牵引车前轮稳态临界转角，得到系统可稳态转向的稳定区域；并分析了主要结构参数对牵引系统转向行驶稳定性区域的影响。借助中心流形理论对舰载机牵引转向系统进行降维处理并量化求解。研究了牵引点前后轮胎侧偏刚度比及牵引点位置对稳态转向特性的影响并探讨了状态反馈方法对分岔点的镇定问题。.从非线性状态流形入手，研究了舰载机牵引系统稳态转向和非稳态转向失稳的动态机制。采用动态分析方法并借助阶段划分思想对稳态转向失稳的发展机制进行描述和解释。通过数值分析的方法探讨了转向频率对非稳态转向稳定性的影响，应用非线性动力学的状态流形理论给出了非稳态转向失稳后的状态演化图。分析了极限工况下系统配置参数和工况参数对牵引系统转向频率的影响。.提出了基于奇异值分解和基于几何关系的最近分岔点追踪对舰载机牵引系统稳态转向失稳进行实时预警的方法。将非线性分岔分析的结果直接应用于系统稳定性控制逻辑的决策中，为驾驶员操作提供了理论指导及依据。选取甲板平面附着系数及系统行进速度为不确定性参数，设计了基于线性变参数多胞模型的鲁棒性自增益调节控制器，通过主动转向和直接横摆力矩间的相互协调改善大波动工况参数下系统的转向稳定性。仿真结果表明，控制方案对于不确定性具有很强的鲁棒性。