变体飞行器动力学建模与稳定性分析及控制

【摘要】：相对于传统的固定翼飞行器,变体飞行器可以根据不同的飞行条件自适应地改变外形,进而获得最佳气动特性和更高的飞行效率。本文针对变体飞行器的动力学建模、控制及飞行稳定性等问题开展研究。论文主要工作如下:(1)研究了翼型厚度变化对气动特性的影响。采用Kriging代理模型和递归算法,建立了变厚度翼型非定常响应的降阶模型,通过CFD计算结果进行了对比验证。在降阶模型基础上,采用蒙特卡洛方法分析了影响翼型气动升力波动的主要因素。(2)采用CFD方法和参数化分析,研究了影响合成射流技术的主要因素,提出了一种优化的腔体构形,该构形可以进一步改善合成射流对分离流的控制效果。针对合成射流激励下翼型的非定常气动响应,利用代理模型技术建立了非线性降阶模型,并通过数值算例验证了该降阶模型的正确性和高效性。(3)针对大尺度变形的变体飞行器,研究了变形对飞行器气动参数的影响,推导出小攻角下的动力学方程。在此基础上,结合增益分配控制方法和慢变系统理论,通过求解一组线性矩阵不等式得到了自增益分配控制器并进行了数值仿真验证;采用李雅普诺夫方法分析了变形过程的飞行稳定性。(4)以一类可变展长的变体飞行器为对象,采用合成射流技术解决其在大攻角下的飞行控制问题。建立了变体飞行器滚转运动的受控动力学方程,以此模型为基础设计了含补偿的自适应滑模变结构控制器,数值仿真验证了该控制器的可行性。(5)针对高超声速下变展长飞行器的气动弹性问题,通过将伸展翼等效为轴向伸展板,采用Kane方法和模态截断法获得了变形过程中的动力学方程。数值计算了该变体飞行器在变形过程中的颤振现象,提出一种变翼策略实现颤振抑制,并采用Floquet理论揭示了该方法的有效性。