基于非線性混合模型的主動陣風載荷減緩系統(tǒng)建模與分析

基于非線性混合模型的主動陣風載荷減緩系統(tǒng)建模與分析

0氣動彈性/ase如果空氣動力學系統(tǒng)包含反饋控制，則稱為動態(tài)服從彈性系統(tǒng)。這個問題源于空氣動力學、結構靈活性和主系統(tǒng)之間的復雜耦合，可以分為兩個問題。首先，計算或驗證飛機在特定飛機環(huán)境下的氣動武器穩(wěn)定性或動態(tài)分析特性，并修改相關參數(shù)以消除不利影響。另一個是通過控制理論設計來消除潛在的不利耦合。非線性一直是氣動彈性/ASE的研究熱點,AC25.341明確要求分析陣風限制載荷時必須考慮顯著的非線性。氣動彈性非線性主要包括結構非線性和氣動非線性目前針對ASE系統(tǒng)的非線性主要研究控制回路中時滯的影響,時滯會降低系統(tǒng)的顫振速度本文以氣動彈性主動控制技術中陣風減緩系統(tǒng)為例,通過建立含飽和、延遲和遲滯非線性的液壓-氣動伺服彈性模型,研究系統(tǒng)非線性對陣風減緩系統(tǒng)這類高動態(tài)響應系統(tǒng)的影響。1風負荷減速系統(tǒng)的模型1.1飛機的氣動軸向空間通用運輸機模型(GTA)式中:M采用最小狀態(tài)法進行非定常氣動力有理近似1.2氣動伺服彈性模型目前空客系列飛機的陣風減緩系統(tǒng)普遍通過副翼偏轉來減緩垂直陣風載荷,其驅(qū)動裝置為液壓作動器,以電靜液作動器作為備份由式(2)可知,彈性機體狀態(tài)空間的輸入為操縱面偏角,為了建立氣動伺服彈性模型,需要補充力矩輸入下操縱面偏轉響應的二階傳遞函數(shù):1.3矩陣模型根據(jù)CCAR25.341的規(guī)定,離散陣風剖面通常為“1-cos”型:式中:U因此,包含陣風和液壓作動器的氣動彈性狀態(tài)空間為:1.4增設結構限幅濾波器彈性飛機的結構振動特性與伺服控制反饋系統(tǒng)的動力學耦合是客觀存在的,可通過在反饋回路中增設結構限幅濾波器,對信號進行限幅或移相以減弱這種耦合。為減弱低阻尼機身彎曲模態(tài)的影響,增加了低通濾波器和陷波濾波器,傳遞函數(shù)分別為:以翼尖加速度和質(zhì)心過載的差值作為反饋信號,基于副翼對稱偏轉進行PI控制律設計,K開/閉環(huán)系統(tǒng)的翼根彎矩歸一化結果M2非線性系統(tǒng)模型陣風減緩系統(tǒng)中存在多種非線性特性,本文就其中的飽和、延遲和遲滯3種非線性進行影響研究。2.1共享操縱面的限制飽和主要來源于作動器行程限制、操縱面權限限制以及控制律中的速率限制。通常,由于陣風減緩屬于自動飛行控制系統(tǒng)的子功能,與主飛控功能共享操縱面,因此為了保證飛機正常機動能力,需要對陣風減緩系統(tǒng)進行權限限制。控制律中的速率限制功能用于限制飛行員或自動駕駛指令信號的速率,有時也用于限制送給作動系統(tǒng)的指令信號,限制保護系統(tǒng)免于過度指令理想飽和特性曲線如圖3(a)所示,其數(shù)學表達式見式(10)。在控制器的輸出端分別注入飽和環(huán)節(jié)(δ飽和)和速率限制環(huán)節(jié)(δ2.2控制器輸出延遲特性延遲是指信號在時間上的滯后特性,在控制系統(tǒng)中,電流、電壓等是模擬量,需要把傳感器的輸出信號經(jīng)過A/D轉換輸送到控制器中,這就產(chǎn)生了采樣延時,其次就是控制器的計算延時。為了方便研究傳感器、控制器在進行采樣、數(shù)模轉換、運算處理等過程中帶來的延遲特性,在控制器輸出端注入延遲環(huán)節(jié)綜合考慮傳感器和控制器的延遲影響。延遲特性曲線如圖3(b)所示,延遲特性的數(shù)學表達式為:2.3換向時,其驅(qū)動波的輸出電壓受控制回路以階段氣動器輸出,以豐富由于連接作動器與操縱面間的鉸鏈機構存在物理間隙,導致操縱面偏轉換向時,需先越過兩倍的間隙才能驅(qū)動舵面偏轉,在控制回路中出現(xiàn)遲滯環(huán)現(xiàn)象,通過在控制回路作動器的輸出端對式(12)進行函數(shù)定義研究遲滯特性的影響。圖3(c)為遲滯環(huán)特性曲線,其中δ3非線性影響分析3.1飽和區(qū)減緩效果的變化假設陣風減緩系統(tǒng)的操縱面的偏轉權限為±2°(δ飽和),舵偏速率限制為1rad/s(δ考慮操縱面權限限制和速率限制的情況下,會出現(xiàn)以下結果:(1)翼根彎矩的峰值急劇增大,系統(tǒng)的減緩效果分別降低至8.15%和11.85%;(2)穿越陣風后系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性大大降低;(3)與閉環(huán)線性曲線相比,飽和非線性響應曲線還存在一定的滯后;(4)與舵偏限制相比,速率限制對最大彎矩減緩效果影響較低,但是會明顯降低系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。造成上述現(xiàn)象是因為飽和特性會降低控制系統(tǒng)的增益(見圖5)。由圖可見,當輸入將輸出置入飽和區(qū)時,限幅環(huán)節(jié)對信號產(chǎn)生抑制作用,舵偏減小,減緩效果降低;限幅環(huán)節(jié)還會引入相位滯后,而相位滯后直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,且速率限制特性引起的相位滯后更嚴重,對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響更顯著。3.2t操縱面偏轉響應時間歷程圖6為綜合考慮傳感器和控制器延遲特性的系統(tǒng)響應曲線。由圖可知,延遲時間(t操縱面偏轉響應時間歷程圖如圖7所示。由圖可知,傳感器和控制器的延遲特性最直接的影響就是降低了作動器的跟蹤精度,延遲時間越長,作動器的跟蹤性能越低,操縱面偏轉滯后越厲害,無法及時產(chǎn)生直接力抵消陣風載荷,導致減緩效果滯后。3.3環(huán)寬越大,系統(tǒng)動態(tài)性能越差控制回路中遲滯特性對系統(tǒng)的影響如圖8所示。由圖可知,非線性系統(tǒng)的最大翼根彎矩反而比線性系統(tǒng)的小,如局部放大圖所示,即系統(tǒng)陣風載荷減緩系統(tǒng)具有一定的保守性,但隨著環(huán)寬δ增大,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性降低。遲滯非線性最直接的影響就是將操縱面偏轉響應置入滯環(huán)內(nèi),從而產(chǎn)生相位滯后,操縱面偏轉延遲,如圖9所示。由圖可見,環(huán)寬越大,滯后越嚴重,系統(tǒng)的振蕩越厲害,動態(tài)性能越差。舵偏第一次到達峰值時,由于滯環(huán)的影響,導致舵面在Δt時間內(nèi)維持前一時刻的偏度,系統(tǒng)實際的舵偏大于線性情況下的舵偏,產(chǎn)生的直接力增大,從而降低了翼根彎矩;但同時由于延遲效應的持續(xù)疊加,導致舵偏指令和彎矩響應產(chǎn)生相位差,降低了系統(tǒng)的動態(tài)性能。4延遲非線性的滯環(huán)特性是造成系統(tǒng)靜滯環(huán)后出現(xiàn)預滯后,系統(tǒng)出現(xiàn)滯環(huán)內(nèi)本文通過對ASE系統(tǒng)中的飽和、延時和遲滯非線性的仿真分析得到以下結論:(1)飽和非線性的限幅環(huán)節(jié)對信號產(chǎn)生抑制作用,降低了系統(tǒng)的跟蹤精度,引起相位滯后,系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性下降,減緩效果降低;(2)延遲非線性直接影響作動器的跟蹤性能,導致操縱面偏轉滯后,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,