多回路气动伺服弹性系统鲁棒稳定性分析方法研究

论文摘要

气动伺服弹性(ASE)涉及了空气动力、惯性力、结构力、敏感元件、执行机构以及飞行控制系统之间的相互作用，它们之间的相互作用可能会造成整个飞机系统的不稳定。因此，对飞机进行气动伺服弹性稳定性分析研究，已经作为现代飞机设计、试验及试飞过程中必不可少的一项重要工作。本文结合现代多回路系统的稳定性分析理论和现代信号处理工具，主要研究了直接由飞行试验数据分析多回路气动伺服弹性系统稳定性的方法，其中的研究成果已成功应用于某型飞机多回路气动伺服弹性系统的分析，并产生了显著的军事和经济效益。其主要内容如下：1．设计并实现了采用扫频信号作为舵指令输入，确定飞机多回路气动伺服弹性系统稳定性的具体飞行试验方案，使得直接由飞行试验数据确定飞机气动伺服弹性稳定裕度成为可能；2．为克服飞行试验数据中噪声对稳定性分析的影响，首先提出了一种针对扫频激励的小波时频域去噪的方法，在时频域实现了信噪分离，显著提高了飞行试验数据的信噪比；3．在具体试验方案的基础上，提出了基于闭环系统回差矩阵最小奇异值理论的稳定性分析方法。该方法采用闭环系统回差矩阵的最小奇异值表示稳定程度。为便于工程描述，同时给出了最小奇异值与经典的幅值—相角裕度之间的对应关系；4．为克服回差矩阵方法的保守性，又提出了基于结构奇异值μ理论的多回路气动伺服弹性系统稳定裕度的确定方法。同时分析了用μ方法得到的多回路鲁棒稳定裕度与经典的幅值—相角裕度之间的对应关系，给出了多回路系统的μ值与幅值—相角裕度的对应关系图；5．设计并实现了飞机多回路气动伺服弹性系统稳定裕度的数据分析系统。该系统已通过实际飞行试验数据的测试，分析结果表明系统具有较强的可靠性和实用性。最后将本文提出的飞行试验方法应用于某型飞机气动伺服弹性系统稳定性分析，结合飞行试验数据，比较了经典的稳定裕度分析方法(Bode图)、闭环系统回差矩阵最小奇异值稳定裕度分析法和鲁棒μ方法稳定裕度分析法的分析结果，并对分析结果进行了具体说明。结果表明：本文提出的方法可以给出飞机多回路气动伺服弹性系统稳定裕度的满意结果，同时上述方法也可以用于飞行控制系统稳定裕度的分析。因此，本文的研究成果对于高性能飞机的设计和试验鉴定具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 气动伺服弹性稳定性研究的意义及现状
• 1.1.1 气动伺服弹性力学定义
• 1.1.2 气动伺服弹性问题的形成
• 1.1.3 多输入多输出稳定裕度发展概述
• 1.1.4 气动伺服弹性稳定性研究现状
• 1.2 论文的工作内容及安排
• 1.2.1 本文研究的主要内容
• 1.2.2 论文的内容安排
• 第2章 基础知识及飞行试验设计
• 2.1 信号和系统
• 2.1.1 信号的范数
• 2.1.2 系统的范数
• 2.2 矩阵奇异值
• 2.3 小增益定理
• 2.4 鲁棒稳定性
• 2.5 线性分式变换
• 2.6 不确定性系统频率模型
• 2.7 气动伺服弹性飞行试验设计
• 2.7.1 飞行试验原理
• 2.7.2 飞行试验设计
• 2.8 本章小结
• 第3章 飞行试验数据预处理与时频域小波去噪方法研究
• 3.1 飞行试验数据的预处理
• 3.1.1 野值的识别、剔除与补正
• 3.1.2 数据平滑的方法
• 3.1.3 数字低通滤波器设计方法
• 3.2 基于MORLET小波的信号去噪方法研究
• 3.2.1 Morlet小波
• 3.2.2 小波去噪原理
• 3.2.3 小波去噪在飞行试验中的应用
• 3.3 边界效应
• 3.4 扫频信号去噪仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 多回路气动伺服弹性系统鲁棒稳定性的回差矩阵方法
• 4.1 经典控制理论中稳定裕度的定义
• 4.2 基于闭环系统回差矩阵最小奇异值鲁棒稳定性分析
• 4.2.1 系统回差矩阵的定义
• 4.2.2 MIMO系统稳定裕度的估算方法
• 4.2.3 仿真实例
• 4.3 试飞确定多回路气动伺服弹性系统稳定裕度方法
• 4.3.1 试飞确定闭环系统回差矩阵的最小奇异值
• 4.3.2 试飞确定多回路气动伺服弹性系统稳定裕度
• 4.3.3 实例分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 多回路伺服气动弹性系统鲁棒稳定性μ方法研究
• 5.1 μ分析基本理论及性质
• 5.1.1 结构奇异值μ基本概念
• 5.1.2 μ的定义及意义
• 5.1.3 μ的计算
• 5.1.4 鲁棒稳定性μ分析
• 5.2 鲁棒μ分析稳定裕度和经典稳定裕度的对应关系
• 5.2.1 μ分析鲁棒稳定裕度和经典稳定裕度的对应关系
• 5.2.2 仿真分析
• 5.3 试飞确定多回路气动伺服弹性系统鲁棒稳定裕度的μ方法
• 5.3.1 结构奇异值μ的计算
• 5.3.2 仿真分析
• 5.3.3 确定M（s）和开环增益矩阵KG（s）的关系
• 5.3.4 试飞确定多回路气动伺服弹性系统稳定裕度
• 5.3.5 实例分析
• 5.4 本章小节
• 第6章 多回路气动伺服弹性系统稳定裕度数据分析系统
• 6.1 多回路气动伺服弹性稳定裕度数据分析系统
• 6.1.1 飞行试验数据处理系统
• 6.1.2 气动伺服弹性稳定性分析系统
• 6.2 实际飞行试验数据测试及结果比较
• 6.2.1 飞行试验数据测试
• 6.2.2 测试结果分析比较
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 论文工作回顾
• 7.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表及科研工作情况