风洞试验欠约束绳牵引并联支撑系统动态特性与控制研究

Under-constraint cable-driven parallel suspension provides a new method for the wind tunnel tests due to its effective simulation of the aircraft’s free motion, and has a great application potential. Considering the deficiencies of basic theory in dynamic properties and control of under-constraint cable-driven parallel suspension system, this project adopts the methods of kinematics and dynamics analysis, to investigate the coupled geometric-dynamic problem, together with the system stability and flow induced vibration response. The study aims to design the controller of cable tension and aircraft’s pose, and to break through and master the key technologies of control for the aircraft’s free motion and forced/free motion. The theoretical achievements would be verified by experimental prototype. Under-constraint cable-driven parallel suspension is a prospective and fundamental application research. The exploration of system dynamics mechanism and the complicated control problems could provide technical support for its application in wind tunnel tests, and has important theoretical value and engineering demanding needs for the guidance of pneumatic/motion/control integration design of experimental platform construction.

欠约束绳牵引并联支撑能够有效模拟飞行器的自由运动，为扩展风洞试验能力提供了一种新型手段，具有很大的应用潜力。本项目针对目前欠约束绳牵引并联支撑系统动态特性与控制等基础理论方面存在的空白之处，运用运动学与动力学分析方法，深入研究欠约束系统运动几何与动力学耦合问题，分析系统稳定性，探究系统流致振动响应。设计绳拉力与模型位姿控制器，突破并掌握飞行器自由运动，以及强迫+自由运动所需的控制这一关键技术，以试验样机验证理论成果。欠约束绳牵引并联支撑属于一项前瞻性的基础应用研究，通过揭示其动力学机理，攻克控制技术难题，可以为其在风洞试验中的工程应用提供技术支持，对于指导气动/运动/控制一体化设计理念的试验平台建设具有十分重要的理论研究价值和工程应用需求。

欠约束绳牵引并联支撑能够有效模拟飞行器模型的受迫/自由运动，为扩展风洞试验能力提供了一种新型手段，具有很大的应用潜力。本项目针对该支撑系统动态特性与控制等基础问题，主要研究以下内容：针对一般欠约束构型，研究运动几何耦合模型求解方法，分析机构的刚度、自由度以及平衡稳定性等；研究系统流致振动响应，确定绳节点位移、绳拉力变化，以及对模型位姿的影响；发展一种基于视觉的模型位姿动态测量方法；设计一种力/位混合控制策略，以考察力输出运动控制特性；进一步考虑系统模型的不确定性和外部干扰，设计智能鲁棒控制器；建造通用欠约束绳牵引并联支撑样机，开展控制方法实验验证；探索双索支撑方式的机构特性。经过数值模拟、理论分析与实验验证，得到以下重要结论：（1）欠约束绳牵引并联支撑系统自由度始终为6，不受绳系约束影响，但自由度特性需通过刚体模态频率分析进行确定；提出的一种基于粒子群算法和模拟退火算法相结合的智能优化求解方法，能够有效确定绳长/绳拉力和模型位姿之间的关系；推导了一个基于子Hessian矩阵特征值的判断方法，可用于评估系统平衡稳定性。（2）低速来流下，流致振动产生的绳索位移较小，对模型质心运动的影响可以忽略；高速来流小迎角时，绳系支撑的气动干扰影响小，但随着迎角增大略有增加；在跨声速范围，影响最为突出。（3）所设计的基于编码标志点的双目视觉测量方式，可有效实现对模型位姿的高精度动态测量。（4）所提出的基于电机转角和绳拉力反馈的力位混合控制策略，可以有效模拟合力输出；基于自适应神经网络和状态观测器的复合控制律，可以减小不确定参数和干扰的影响，提高运动控制精度。（5）初步验证了所设计的双索支撑系统用于全模颤振试验是可行的。上述研究成果将为全模颤振、虚拟飞行等特种试验提供有力技术支持，为深入研究非定常气动特性、动稳定性预测，以及飞行控制律设计与分析等奠定实验基础。