弦向柔性机翼气动弹性分析与控制

论文摘要

自适应机翼是一种基于主动控制技术的自适应结构。它通过对气动外形的不断优化，使飞行器在不同飞行状态下均具有较出色的飞行性能。自适应机翼的实现需要降低机翼主要结构的刚度，这将影响机翼的气动弹性稳定性。目前，国内外的研究主要集中在对自适应机翼结构的实现上，而对自适应机翼气动弹性的研究相对较少。本文研究具有弦向柔性自适应机翼的气动弹性分析与控制问题，主要工作如下:针对Murua建立的考虑弦向柔性的三自由度二元翼段模型，采用次最优控制律进行颤振主动抑制。用V-g法计算系统的颤振速度，研究弦向弯度变化对系统动气动弹性稳定性的影响；选取弯曲变形的挠度作为控制变量进行颤振主动抑制。结果表明，考虑弦向弯曲变形后，原来刚性机翼的气弹稳定边界显著改变；通过控制弯曲变形，在给定的挠度变化范围内，可使系统的颤振临界速度提高26%。建立一种压电梁描述弦向柔性的二元翼段有限元模型，应用非定常涡格法求解气动力。设计PID控制器进行颤振主动抑制，采用位移输出反馈控制方式，在给定的控制电压范围内，颤振临界速度提高11%。针对上述二元翼段模型，运用神经网络预测控制器进行颤振主动抑制。分别采用全状态输出反馈和位移输出反馈控制方式，在给定的电压范围内都能使系统的极限环振动趋于收敛。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 气动弹性力学
• 1.2 自适应机翼概述
• 1.3 自适应机翼气动弹性研究现状
• 1.4 本文研究内容和各章节安排
• 第二章 基于 Peters 气动力的弦向柔性机翼气动弹性分析与控制
• 2.1 引言
• 2.2 气动弹性模型
• 2.2.1 结构动力学模型
• 2.2.2 Peters 非定常气动力模型
• 2.3 频域气动弹性分析
• 2.4 颤振主动抑制
• 2.4.1 状态空间气动弹性方程
• 2.4.2 次最优控制率
• 2.4.3 数值仿真结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 结构有限元与空气动力建模
• 3.1 引言
• 3.2 压电梁有限元模型的建立
• 3.2.1 弯度自适应机翼模型简化
• 3.2.2 压电梁动力学有限元方程
• 3.2.2.1 压电区和基区本构方程
• 3.2.2.2 有限单元模型
• 3.2.2.3 电场-电势的关系
• 3.2.2.4 Hamilton 原理
• 3.2.3 自然频率和模态
• 3.3 压电梁形状的静态控制
• 3.4 非定常涡格法基本理论
• 3.4.1 问题的提出和坐标变换
• 3.4.2 尾涡强度
• 3.4.3 尾涡形状
• 3.4.4 压力计算
• 3.5 非定常涡格法数值解
• 3.5.1 奇异元选取
• 3.5.2 运动学关系
• 3.5.3 网格生成与离散化
• 3.5.4 尾涡模型
• 3.5.5 计算影响系数
• 3.5.6 压力，升力，力矩计算
• 3.5.7 尾涡位置更新
• 3.6 数值仿真结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 流固耦合及 PID 控制
• 4.1 引言
• 4.2 结构与空气动力连接
• 4.3 气动弹性方程解法
• 4.3.1 连续状态空间离散化
• 4.3.2 离散时间系统递推法求解
• 4.3.3 离散时间系统Z变换法求解
• 4.4 气动弹性分析
• 4.5 PID 颤振主动抑制
• 4.6 本章小结
• 第五章 神经网络预测控制
• 5.1 引言
• 5.2 神经网络预测控制系统
• 5.2.1 神经网络预测控制系统简介
• 5.2.2 系统辨识
• 5.2.3 反向传播学习算法及其改进
• 5.2.4 罚函数
• 5.3 数值仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文