一种柔性飞行器气动弹性建模与控制方法

摘要

本发明涉及一种柔性飞行器气动弹性建模与控制方法，由用气动弹性理论描述柔性飞行器的气动弹性模型、应用平衡截断模型降阶方法对模型进行简化、增益调度PID控制器的设计、飞行控制计算机的硬件设计四部分组成。根据实际需要，将本发明所涉及的柔性飞行器视为一种弹性飞行器，应用气动弹性设计理论得到其状态空间表达式；针对状态方程是高阶的特点，通过计算Hankel奇异值，应用平衡截断法将模型简化为十几阶模型；采用增益调度PID控制策略，飞行高度每1000m取为一个工作点，在每个工作上分别设计降阶后的PID控制器，应用Hanus方法进行局部控制器之间的抗回绕无差切换；最后针对此类柔性飞行器实现了飞行控制计算机的硬件结构设计，采用了DSP+FPGA的总体方法。

主权项

本发明提出一种柔性飞行器气动弹性建模与控制方法，其特征在于：它由用气动弹性理论描述柔性飞行器的气动弹性模型、应用平衡截断模型降阶方法对模型进行简化、增益调度PID控制器的设计、飞行控制计算机的硬件设计四部分组成。理论上讲，任何飞行器在一定条件下都可以简化为刚体模型，从而应用刚体动力学模型理论对飞行器进行分析和控制。然而当飞行器为了追求轻质量而导致材料结构的刚度不断降低时，简单地将飞行器简化为刚体模型已经不符合实际情况，会造成飞行器控制出现较大偏差，甚至导致系统的不稳定情况的出现。柔性飞行器的刚度较小，它在空气动力的作用下会产生很大变形，这种变形会引起附加的空气动力，而这种附加的空气动力又反过来使结构产生附加的变形。在对此类飞行器进行建模的时候要充分考虑其结构的气动弹性特性，必须将柔性飞行器作为特殊的一类飞行器来设计。本专利针对此类飞行器，应用了气动弹性理论对载荷分布、操纵效率、发散、颤振、抖振和动力响应等问题进行建模，用气动弹性网格来描述飞行器结构微元的气动弹性特征，基于气动弹性理论描述了该类飞行器的气动弹性模型，最终得到了该气动弹性系统的状态空间表达式。