气动力非定常效应对飞行控制系统影响的数值模拟研究

The unsteady effect of aerodynamics is inadequately considered in the evaluation of performance of Flight Control System (FCS) using traditional engineering technique based on the aerodynamic model or database. Nowadays, the influence of unsteady effect of aerodynamics in the design of FCS is unclear, and the confirming of control envelop has much uncertainties. The study on the influence of unsteady effect of aerodynamics in the design of FCS is carried out in this project, and the developing of compensation mechanism is in a trial. This study includes two levels, first of all, the coupled simulation method of aerodynamics, rigid body dynamics, and control system is developed to obtain the simultaneous aerodynamics in the control process. Above of that, the difference of unsteady aerodynamics using coupled method and the traditional engineering method is analyzed in detail to help developing the compensation mechanism in the FCS. From this research, a high accuracy simulation and evaluation technique in FCS can be developed aiming at establishing the theoretical foundation for the advanced design of flight control system.

飞行控制系统设计的基础是气动力数据库或气动模型，但在极端飞行条件下如气动力非定常效应很强时，气动力数据库或气动模型并不能全面地反应真实的气动特性。目前，尚不清楚如何在控制系统设计时考虑气动力非定常效应的影响，在给定控制余量时具有较大随意性。本项目通过开展气动力非定常效应对飞行控制系统影响的机理研究，尝试建立控制系统对气动力非定常效应的补偿机制。研究分两个层此，首先建立气动、运动、控制一体化的耦合模拟技术，可获取飞行器操控过程中气动力的非定常效应；然后通过一体化耦合模拟手段和工程仿真手段的对比分析，详细研究两种仿真手段中气动力非定常效应的差异，进而建立控制系统对气动力非定常效应的补偿机制。本项目一方面可为飞行控制系统提供一种高精度的模拟和评估手段，同时通过机理研究，可为先进飞行器控制系统设计奠定理论基础。

飞行控制系统设计的基础是气动力数据库或气动模型，但在极端飞行条件下如气动力非定常效应很强时，气动力数据库或气动模型并不能全面地反应真实的气动特性。为此，本项目建立了气动/运动/控制一体化的数值虚拟飞行模拟平台，分析了气动力非线性、非定常效应导致的控制系统迟滞效应；提出了飞行器大攻角和快速机动过程中PID控制器的改进和优化策略。研究发现：在机动动作较慢时，CFD数值计算结果和工程仿真结果给出了一致性的结果，两种方法可以相互验证；随着飞行器机动动作加快，CFD计算结果和工程仿真结果均显示，控制器的控制效果逐渐变差，在规定的机动时间内，距离控制目标都有一定的偏差；以机动时间为0.5秒的正弦拉升过程为例，工程仿真方法给出的控制系统相对延迟为36.4%，而CFD给出的控制系统相对延迟为78.9%，表明工程仿真方法可能低估了气动力非定常效应导致的控制系统迟滞效应。本项目一方面可为飞行控制系统提供一种高精度的模拟和评估手段，同时通过机理研究，可为先进飞行器控制系统设计奠定理论基础。