基于非線性混合模型的主動(dòng)陣風(fēng)載荷減緩系統(tǒng)建模與分析

基于非線性混合模型的主動(dòng)陣風(fēng)載荷減緩系統(tǒng)建模與分析

0氣動(dòng)彈性/ase如果空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)包含反饋控制，則稱為動(dòng)態(tài)服從彈性系統(tǒng)。這個(gè)問題源于空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)靈活性和主系統(tǒng)之間的復(fù)雜耦合，可以分為兩個(gè)問題。首先，計(jì)算或驗(yàn)證飛機(jī)在特定飛機(jī)環(huán)境下的氣動(dòng)武器穩(wěn)定性或動(dòng)態(tài)分析特性，并修改相關(guān)參數(shù)以消除不利影響。另一個(gè)是通過控制理論設(shè)計(jì)來消除潛在的不利耦合。非線性一直是氣動(dòng)彈性/ASE的研究熱點(diǎn),AC25.341明確要求分析陣風(fēng)限制載荷時(shí)必須考慮顯著的非線性。氣動(dòng)彈性非線性主要包括結(jié)構(gòu)非線性和氣動(dòng)非線性目前針對(duì)ASE系統(tǒng)的非線性主要研究控制回路中時(shí)滯的影響,時(shí)滯會(huì)降低系統(tǒng)的顫振速度本文以氣動(dòng)彈性主動(dòng)控制技術(shù)中陣風(fēng)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(dòng)伺服彈性模型,研究系統(tǒng)非線性對(duì)陣風(fēng)減緩系統(tǒng)這類高動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)的影響。1風(fēng)負(fù)荷減速系統(tǒng)的模型1.1飛機(jī)的氣動(dòng)軸向空間通用運(yùn)輸機(jī)模型(GTA)式中:M采用最小狀態(tài)法進(jìn)行非定常氣動(dòng)力有理近似1.2氣動(dòng)伺服彈性模型目前空客系列飛機(jī)的陣風(fēng)減緩系統(tǒng)普遍通過副翼偏轉(zhuǎn)來減緩垂直陣風(fēng)載荷,其驅(qū)動(dòng)裝置為液壓作動(dòng)器,以電靜液作動(dòng)器作為備份由式(2)可知,彈性機(jī)體狀態(tài)空間的輸入為操縱面偏角,為了建立氣動(dòng)伺服彈性模型,需要補(bǔ)充力矩輸入下操縱面偏轉(zhuǎn)響應(yīng)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(fēng)剖面通常為“1-cos”型:式中:U因此,包含陣風(fēng)和液壓作動(dòng)器的氣動(dòng)彈性狀態(tài)空間為:1.4增設(shè)結(jié)構(gòu)限幅濾波器彈性飛機(jī)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性與伺服控制反饋系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)耦合是客觀存在的,可通過在反饋回路中增設(shè)結(jié)構(gòu)限幅濾波器,對(duì)信號(hào)進(jìn)行限幅或移相以減弱這種耦合。為減弱低阻尼機(jī)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(hào),基于副翼對(duì)稱偏轉(zhuǎn)進(jìn)行PI控制律設(shè)計(jì),K開/閉環(huán)系統(tǒng)的翼根彎矩歸一化結(jié)果M2非線性系統(tǒng)模型陣風(fēng)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(jìn)行影響研究。2.1共享操縱面的限制飽和主要來源于作動(dòng)器行程限制、操縱面權(quán)限限制以及控制律中的速率限制。通常,由于陣風(fēng)減緩屬于自動(dòng)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(jī)正常機(jī)動(dòng)能力,需要對(duì)陣風(fēng)減緩系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)限限制。控制律中的速率限制功能用于限制飛行員或自動(dòng)駕駛指令信號(hào)的速率,有時(shí)也用于限制送給作動(dòng)系統(tǒng)的指令信號(hào),限制保護(hù)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(xué)表達(dá)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(hào)在時(shí)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(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換輸送到控制器中,這就產(chǎn)生了采樣延時(shí),其次就是控制器的計(jì)算延時(shí)。為了方便研究傳感器、控制器在進(jìn)行采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換、運(yùn)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(xué)表達(dá)式為:2.3換向時(shí),其驅(qū)動(dòng)波的輸出電壓受控制回路以階段氣動(dòng)器輸出,以豐富由于連接作動(dòng)器與操縱面間的鉸鏈機(jī)構(gòu)存在物理間隙,導(dǎo)致操縱面偏轉(zhuǎn)換向時(shí),需先越過兩倍的間隙才能驅(qū)動(dòng)舵面偏轉(zhuǎn),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(dòng)器的輸出端對(duì)式(12)進(jìn)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(shè)陣風(fēng)減緩系統(tǒng)的操縱面的偏轉(zhuǎn)權(quán)限為±2°(δ飽和),舵偏速率限制為1rad/s(δ考慮操縱面權(quán)限限制和速率限制的情況下,會(huì)出現(xiàn)以下結(jié)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(fēng)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(yīng)曲線還存在一定的滯后;(4)與舵偏限制相比,速率限制對(duì)最大彎矩減緩效果影響較低,但是會(huì)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?yàn)轱柡吞匦詴?huì)降低控制系統(tǒng)的增益(見圖5)。由圖可見,當(dāng)輸入將輸出置入飽和區(qū)時(shí),限幅環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)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(huì)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(yán)重,對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響更顯著。3.2t操縱面偏轉(zhuǎn)響應(yīng)時(shí)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(yīng)曲線。由圖可知,延遲時(shí)間(t操縱面偏轉(zhuǎn)響應(yīng)時(shí)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(dòng)器的跟蹤精度,延遲時(shí)間越長,作動(dòng)器的跟蹤性能越低,操縱面偏轉(zhuǎn)滯后越厲害,無法及時(shí)產(chǎn)生直接力抵消陣風(fēng)載荷,導(dǎo)致減緩效果滯后。3.3環(huán)寬越大,系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能越差控制回路中遲滯特性對(duì)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(fēng)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(zhuǎn)響應(yīng)置入滯環(huán)內(nèi),從而產(chǎn)生相位滯后,操縱面偏轉(zhuǎn)延遲,如圖9所示。由圖可見,環(huán)寬越大,滯后越嚴(yán)重,系統(tǒng)的振蕩越厲害,動(dòng)態(tài)性能越差。舵偏第一次到達(dá)峰值時(shí),由于滯環(huán)的影響,導(dǎo)致舵面在Δt時(shí)間內(nèi)維持前一時(shí)刻的偏度,系統(tǒng)實(shí)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(shí)由于延遲效應(yīng)的持續(xù)疊加,導(dǎo)致舵偏指令和彎矩響應(yīng)產(chǎn)生相位差,降低了系統(tǒng)的動(dòng)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(yù)滯后,系統(tǒng)出現(xiàn)滯環(huán)內(nèi)本文通過對(duì)ASE系統(tǒng)中的飽和、延時(shí)和遲滯非線性的仿真分析得到以下結(jié)論:(1)飽和非線性的限幅環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)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(dòng)器的跟蹤性能,導(dǎo)致操縱面偏轉(zhuǎn)滯后,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,