大柔性飞行器柔性与飞行耦合动力学的稳定性与控制问题研究

Due to the mission requirements, the desired vehicles are characterized by high lift-drag ratio (>30) and high-aspect ratio (>20) wings .What’s more, the fuselage is slender. It results in very high flexible aircraft .These wings may undergo large defamations in the flight. Meanwhile, great change occurs on the structure after loading, exhibiting geometrically nonlinear behaviors. This directly affects the structural and dynamic characteristics of VFA and brings new challenges for control flexibility and flight. This project focuses on the stability and control design of the dynamic of coupled flexibility and flight, which including building the structural model, aerodynamics model and nonlinear dynamic equations, studying the model reduction method for high-order model of VFA. Moreover, this project also looks at the influence mechanism the flexibility on the stability of aircraft using parametric modeling, as well as the control method of the coupling between flexible modal and flight condition in light of the feature that the aircraft is both underactuated and redundant. Consequently, the aircraft may still be able to realize stable flight under the gust disturbance.

高空超长航时飞行器为获得尽量大升阻比（一般超过30），机翼具有展弦比极大（超过20）、材质轻而薄的特点，因而机翼具有高度的柔性，是大柔性飞行器。大柔性飞行器在飞行中，会发生很大的机翼形变，结构受载荷后的型态相较于受载荷前有显著变化，呈现几何非线性特性。这些特点给大柔性飞行器的结构和动力学特性赋予了许多特有的性质，给控制器设计带来了新的挑战.本项目围绕大柔性飞行器柔性与飞行耦合动力学的稳定性与控制问题展开研究：建立大柔性飞行器的结构模型、气动模型与非线性动力学方程，针对系统模型维数大的特点，研究模型降阶方法；采用参数化建模方法，研究柔性特性对飞行器稳定性的影响机制；针对大柔性飞行器整体上具有欠驱动性质而局部具有冗余驱动性质的特点，研究柔性模态和飞行状态耦合控制方法，实现飞行器在阵风扰动下的稳定飞行。

近年来，近空间或临近空间区域逐渐成为研究的热点，高空长航时太阳能飞行器可用于执行大范围侦察、监测、通信中继以及预警等任务，并且能够持续不间断地实时搜集并传输情报和数据，可广泛应用于通信保障、环境变化及气象数据监测或气象预报、灾害监视等军民用途，其独特的资源优势和战略价值逐渐引起了多个国家的重视。我国近些年来也开展了这方面的研究，并获得了国家自然科学基金等项目的大力资助。. 本课题首先建立了大柔性飞行器的非线性动力学模型并研究了维数降阶方法。采用有限元方法对大柔性机翼进行离散化处理，推导飞行器的动能、势能及广义力，基于Lagrange方程建立了大展弦比柔性飞行器的非线性动力学模型。采用广义α法求解非线性方程，并对系统进行了配平。分析有限元数量对模型精度的影响，并研究了大柔性飞行器的模型降阶问题，分别运用平衡截断法、平衡残差法以及最优Hankel范数近似法对系统进行了模型降阶处理与比较。. 然后研究了柔性特性对飞行器稳定性能的影响。针对大尺度柔性飞行器的系统特性，通过配平获得稳定飞行状态，基于特征根分布分析系统的动稳定性能，进一步获得大柔性飞行器的长短周期运动模态。通过仿真不同刚度和阻尼下飞行器的动态响应，分析了柔性特性对飞行器的运动特性影响。. 接着分析了柔性模态和控制约束对飞行器控制设计的影响。针对大柔性飞行器在中心负载超过临界值成为开环不稳定系统的特性，考虑控制输入饱和约束限制，讨论了不同负载、控制约束、阻尼系数和刚度条件下的零能控区域大小，基于稳定半径定量衡量可控范围，并设计了控制器进行初步验证。. 进一步研究了输入受限下的大柔性飞行器控制器设计和控制优化。针对柔性与飞行状态耦合情况，以线性二次型调节器作为基础控制器，考虑不确定性，设计了飞行器模型参考自适应控制器。针对输入受限问题，采用修正方法对超过饱和界限的输入进行缩减，同时修正参考模型，利用李雅普诺夫稳定判据证明系统稳定性并进行仿真验证。采用遗传算法对输入受限的大柔性飞行器控制系统进行优化，并基于自适应投影算法保证了系统鲁棒性能。. 最后研究了阵风扰动下的大柔性飞行器姿态跟踪控制设计。分析大柔性飞行器在阵风扰动下的动态响应，初步得出了影响飞行器稳定飞行的阵风临界值。设计模型参考自适应控制算法，保证阵风干扰下飞行器的姿态控制，并进行了仿真验证。