陣風(fēng)載荷減緩主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真

陣風(fēng)載荷減緩主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真

飛機(jī)通常在空氣中行駛，經(jīng)常受到風(fēng)暴和湍流變化的干擾。干擾會(huì)改變飛機(jī)氣升力面的有效攻角，突然改變升力，從而降低駕駛員和乘客的安全和舒適度。陣風(fēng)干擾在機(jī)體上引起的動(dòng)態(tài)載荷還會(huì)降低機(jī)體壽命。因此,合理確定陣風(fēng)載荷并減緩陣風(fēng)影響對(duì)確保飛機(jī)安全飛行具有重大的意義陣風(fēng)載荷減緩(Gustloadalleviation,GLA)的基本原理是通過傳感器感受風(fēng)場(chǎng)和飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),然后按照一定的規(guī)律操縱升降舵、對(duì)稱襟翼等操縱面偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生直接升力來(lái)減小陣風(fēng)對(duì)飛行過載的影響目前,學(xué)者們針對(duì)陣風(fēng)載荷減緩主動(dòng)控制做了豐富的理論分析和數(shù)值仿真研究,但在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面有待于完善。因此,本文設(shè)計(jì)了一套陣風(fēng)載荷減緩主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),將數(shù)值仿真與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,并引入了次最優(yōu)和H1風(fēng)災(zāi)發(fā)生1.1葉柵控制和控制陣風(fēng)發(fā)生器可在垂直方向產(chǎn)生穩(wěn)定的簡(jiǎn)諧流場(chǎng)葉柵擺動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖2,主要包括翼型、四桿機(jī)構(gòu)以及用于驅(qū)動(dòng)葉柵轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪。所采用葉柵為3組NACA0018的翼型,展長(zhǎng)300mm,弦長(zhǎng)200mm,葉柵軸心距離為300mm。中間葉柵為主動(dòng)葉柵,通過四桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩側(cè)從動(dòng)葉柵,實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)。為保證葉柵高頻擺動(dòng)時(shí)的安全性,在另一側(cè)增加一組連桿,形成對(duì)稱的平行四邊形?？刂葡到y(tǒng)包括三相變頻電機(jī)和變頻器。三相變頻電機(jī)接380V交流電,功率為1.5kW,具有恒功率調(diào)頻和恒轉(zhuǎn)速調(diào)頻兩種調(diào)速方式,變頻器變頻范圍0~500Hz。為獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速與變頻器調(diào)頻的關(guān)系,在電機(jī)上加裝光電編碼器,以測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速。完整的陣風(fēng)發(fā)生器如圖3所示。為了使經(jīng)過葉柵擺動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)具有更好的穩(wěn)定性,在葉柵的兩端還設(shè)立了兩片平行隔離反射板,用來(lái)減少外部氣流的干擾。1.2曲柄長(zhǎng)度l實(shí)驗(yàn)將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等效為曲柄滑塊機(jī)構(gòu),如圖4所示。連桿l為增加葉柵的擺角范圍,葉柵的驅(qū)動(dòng)采用兩種規(guī)格的齒輪,其模數(shù)相同,直徑比為1∶2。表1為曲柄長(zhǎng)度l實(shí)驗(yàn)中由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)存在較小的偏心距e=1.47mm,葉柵為類簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),但由于該偏心距相比曲柄和連桿的長(zhǎng)度較小,葉柵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有很好的簡(jiǎn)諧性。圖6為葉柵實(shí)際運(yùn)動(dòng)與正弦曲線10sin(2πt)的比對(duì)。2氣動(dòng)彈性模型2.1控制面為正,無(wú)翼仰角采用二維翼段作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?超聲電機(jī)為作動(dòng)器帶動(dòng)后緣控制面,如圖7所示。其中h為沉浮位移,向下為正,α為主翼俯仰角,順時(shí)針為正,β為控制面轉(zhuǎn)角,順時(shí)針為正;b為半弦長(zhǎng),彈性中軸與弦中點(diǎn)的距離為b,控制面轉(zhuǎn)軸到弦中點(diǎn)的距離為b;k2.2維翼段氣動(dòng)升力系統(tǒng)基于Theodorsen定理,二維翼段做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)受到的氣動(dòng)升力L式中:ρ基于Küsser函數(shù)和Duhamel積分,二維翼段在陣風(fēng)干擾下的氣動(dòng)升力L式中:ω當(dāng)用超聲電機(jī)施加控制后,控制面的轉(zhuǎn)角取決于超聲電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)角指令β超聲電機(jī)二階動(dòng)力學(xué)方程式中:β是超聲電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角,k包含超聲電機(jī)作動(dòng)特性在內(nèi)的二維翼段氣動(dòng)彈性運(yùn)動(dòng)方程為式中:A為系統(tǒng)矩陣,B為控制面輸入矩陣,G3控制設(shè)計(jì)3.1次最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)由于所有氣動(dòng)力狀態(tài)變量并不是都可測(cè)的,最優(yōu)控制難以實(shí)現(xiàn),本文采用基于輸出反饋?zhàn)顑?yōu)方法設(shè)計(jì)次最優(yōu)控制器。反饋信號(hào)為3組可測(cè)信號(hào):沉浮位移h、俯仰角α和控制面偏轉(zhuǎn)角β。受控動(dòng)力學(xué)方程為式中:β式中:Q為半正定加權(quán)矩陣,p>0為加權(quán)系數(shù)。Q由最小范數(shù)法求得。次最優(yōu)反饋矩陣K式中:F3.2H本文設(shè)計(jì)的另一種控制器采用的是乘法攝動(dòng)模型的H4陣風(fēng)載荷下翼段的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析表2為模型實(shí)際參數(shù)及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)條件參數(shù)。S圖10,11為來(lái)流風(fēng)速為12m/s,陣風(fēng)速度峰值為2.5m/s,陣風(fēng)頻率為3Hz時(shí),翼段的陣風(fēng)響應(yīng)及施加次最優(yōu)控制器和H仿真結(jié)果表明:兩種控制器均可以減緩陣風(fēng)載荷。如圖10和圖11,在翼段響應(yīng)后的10s施加控制器,次最優(yōu)控制器和H5風(fēng)實(shí)驗(yàn)5.1超聲電機(jī)控制面為6sin25采用PIV流場(chǎng)測(cè)量設(shè)備對(duì)二維翼段軸線位置處的陣風(fēng)速度峰值進(jìn)行了測(cè)量。圖12為3組來(lái)流風(fēng)速下,葉柵擺幅與陣風(fēng)速度峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn):在一定來(lái)流風(fēng)速范圍內(nèi)且葉柵擺幅不大時(shí),陣風(fēng)速度峰值與葉柵擺幅基本呈線性關(guān)系。采用超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)后緣控制面,超聲電機(jī)采用PID控制。圖13為超聲電機(jī)對(duì)正弦信號(hào)10sin(2π·5t)的跟隨效果。圖14為整套實(shí)驗(yàn)裝置及風(fēng)洞,左側(cè)為風(fēng)洞口,接陣風(fēng)發(fā)生器,陣風(fēng)發(fā)生器后接二維翼段,二維翼段垂直放置,固定于安裝架。陣風(fēng)發(fā)生器及二維翼段的上下端部都安裝有穩(wěn)定流場(chǎng)的隔離反射板。本實(shí)驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。風(fēng)洞開口試驗(yàn)段截面為矩形1.5m×1m,試驗(yàn)段長(zhǎng)度1.7m,最大風(fēng)速40m/s,湍流度0.08%。實(shí)驗(yàn)中,首先開風(fēng)洞,加載穩(wěn)定的來(lái)流風(fēng)速。此時(shí),翼段不會(huì)發(fā)生振動(dòng)。然后開陣風(fēng)發(fā)生器,陣風(fēng)發(fā)生器從靜止到按設(shè)定的頻率運(yùn)動(dòng)需要幾秒的時(shí)間,這是翼段逐漸加載的過程。陣風(fēng)發(fā)生器運(yùn)行至穩(wěn)定,翼段以固定的頻率和幅值運(yùn)動(dòng)。最后施加控制,翼段到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。5.2陣風(fēng)頻率風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)陣風(fēng)頻率為1~6Hz、來(lái)流風(fēng)速5~25m/s時(shí),次最優(yōu)控制器或H圖15—18為來(lái)流風(fēng)速為12m/s,陣風(fēng)速度峰值為2.5m/s,陣風(fēng)頻率分別為3Hz,3.3Hz的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖15和圖16為次最優(yōu)控制、圖17和圖18為H定義陣風(fēng)載荷減緩效率式中:x表3為固定陣風(fēng)速度幅值為2.5m/s和來(lái)流風(fēng)速為12m/s,陣風(fēng)頻率分別為3,3.3,5.1和7Hz時(shí),統(tǒng)計(jì)出次最優(yōu)控制器和H仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明:兩種控制器均可以減緩陣風(fēng)載荷,通過對(duì)比發(fā)現(xiàn):仿真中次最優(yōu)控制器比H6陣風(fēng)載荷減緩效果驗(yàn)證本文采用二維翼段作為陣風(fēng)載荷減緩主動(dòng)控制的研究對(duì)象,設(shè)計(jì)了一套完