检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：赵昕辉中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)

学位级别：博士

飞翼无人机采用翼身融合布局,取消了尾翼并将机身设计为一个升力部件,可以降低燃油消耗、提高续航能力、改善气动和隐身性能,是飞行器发展的重要方向之一。然而,飞翼布局的多操纵面构型使得无人机的飞行控制系统变为过驱动系统,从而带... 详细信息

飞翼无人机采用翼身融合布局,取消了尾翼并将机身设计为一个升力部件,可以降低燃油消耗、提高续航能力、改善气动和隐身性能,是飞行器发展的重要方向之一。然而,飞翼布局的多操纵面构型使得无人机的飞行控制系统变为过驱动系统,从而带来了控制冗余的难题。一种有效的飞行控制系统设计方法是采用“飞行控制律+控制分配律”的级联架构,通过控制分配方法解决操纵面冗余难题。在控制分配律的设计过程中充分考虑分配精度、控制能耗等因素,可以实现高效能的分配结果。本文以多操纵面飞翼布局无人机为对象,研究了高分配精度、低控制能耗且面向多任务阶段的高效能控制分配方法。重点分析了飞翼无人机操纵面的非线性气动特性、多轴控制耦合和交叉耦合特性,研究了 Kriging和Co-Kriging气动代理模型设计中的关键问题。将控制能耗作为重点考虑因素,提出了基于所构建的气动代理模型的非线性控制分配方法、多目标控制分配方法和重构控制分配方法,并将所提出的控制分配方法应用于柔性操纵面飞翼无人机中。论文的主要研究工作如下:(1)针对飞翼无人机的低能耗、高精度的非线性控制分配问题,首先分析了升降副翼和开裂式阻力方向舵的非线性气动操纵特性、多轴控制耦合特性和交叉耦合效应。考虑到上述特性,综合分析比较了多种典型代理模型的非线性近似精度,选用高精度的Kriging模型建立飞翼无人机操纵面的气动代理模型。基于所构建的气动代理模型,将飞翼无人机的非线性控制分配问题转化为一个以分配精度和控制能耗为目标的约束优化问题,提出了基于Kriging气动代理模型的高效能非线性控制分配方法。分析了遗传算法和梯度加速粒子群算法的分配性能,并基于这两种算法提出了一种混合优化算法来求解该控制分配问题。(2)在降低控制能耗的基础上,考虑到飞翼无人机执行任务过程中要经历多种飞行阶段,研究了基于多置信度气动代理模型的高效能多目标控制分配问题。为了提高气动建模精度并降低计算代价,使用Co-Kriging多置信度代理模型对飞翼无人机的操纵面进行建模。设计了一种区间非均匀划分的最优拉丁超立方抽样方法来获得高置信度代理模型的建模初始样本点。提出了基于均方根误差和预测梯度的并行加点策略和面向全局建模精度的多重终止准则。分析了飞翼无人机在不同飞行阶段对分配精度、控制能耗、升力系数和阻力系数的要求,构建了多目标控制分配的数学模型,并提出了综合函数法和分层优化多目标粒子群法来解决该多目标控制分配问题。(3)考虑到复杂的多操纵面配置会增加操纵系统发生故障的概率,基于Krig-ing 控制分配架构对飞翼无人机在典型操纵面故障下的重构控制系统进行设计。分析了操纵系统中操纵面、执行机构和传感器的失效形式,重点对操纵面的损伤、卡阻、松浮和中位偏置等四种典型故障形式进行研究。通过分析操纵面故障对操纵性能的影响,建立了对应故障状态下的失效数学模型。针对不同的操纵面故障形式,对原有的Kriging气动代理模型进行对应故障状态下的修正,并基于修正后的Kriging气动代理模型对飞翼无人机的重构控制系统进行了设计。(4)将柔性操纵面技术应用于飞翼无人机可以进一步提升操纵面的气动性能、降低控制能耗。分析了将变形后缘作为柔性操纵面的可行性,并基于柔性蒙皮技术设计了一种机翼后缘展向变形结构。对比分析了平直机翼柔性操纵面和常规操纵面的转矩可达集,验证了柔性操纵面对气动操纵性能的提升效果。然后将柔性操纵面应用于飞翼无人机中,采用3D面元法对气动特性进行分析,建立了柔性操纵面的Kriging气动代理模型,并基于前述的分配架构初步设计了柔性操纵面飞翼无人机的控制分配算法。通过开环分配性能测试验证了所提出的控制分配方法的有效性。综上所述,本文以分配精度和控制能耗为基本目标,提出了基于气动代理模型的控制分配方法,设计了面向全局近似精度的Kriging和Co-Kriging气动代理模型,对飞翼无人机的非线性控制分配问题、多目标控制分配问题、重构控制和柔性操纵面的控制分配问题展开研究。本文的研究工作能够为飞翼无人机的飞行控制系统设计提供指导,并为其他过驱动系统的控制问题提供解决思路。

关键词：飞翼无人机控制分配方法控制能耗气动代理模型重构控制

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变构型高超声速滑翔飞行器再入轨迹优化

引用

Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics 2023年第S02期40卷 32-39页

作者：李畅赵吉松南京航空航天大学航天学院中国南京211106

研究了变构型飞行器(Variable-configuration vehicle,VCV)的再入轨迹优化问题,建立了气动代理模型,用于快速预测不同变形和飞行条件下飞行器的空气动力学特性。以变形量、迎角和倾斜角的变化过程作为轨迹优化变量,定量研究了VCV的着陆... 详细信息

研究了变构型飞行器(Variable-configuration vehicle,VCV)的再入轨迹优化问题,建立了气动代理模型,用于快速预测不同变形和飞行条件下飞行器的空气动力学特性。以变形量、迎角和倾斜角的变化过程作为轨迹优化变量,定量研究了VCV的着陆区覆盖能力和避障机动性能。仿真结果表明,与固定配置飞行器(Fixed-configuration vehicle,FCV)相比,VCV除了可以实现沿再入-滑翔轨迹的最优控制之外,还可以沿再入轨迹进行最佳变形,从而达到更优的再入轨迹性能。

关键词：高超声速滑翔气动代理模型轨迹优化可变构型

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综合热效应影响下的高速飞行器气动/控制一体化设计

综合热效应影响下的高速飞行器气动/控制一体化设计

引用

作者：张闺臣西南科技大学

学位级别：硕士

马赫数大于5的高速飞行器具有高机动性以及探索极端环境的能力,有望在军事、航空航天、物流运输等领域发挥重要作用,并推动航空技术的进一步发展。然而,此类飞行器的工作环境主要集中于平流层和同温层,该高度范围内大气密度低、氧气稀... 详细信息

马赫数大于5的高速飞行器具有高机动性以及探索极端环境的能力,有望在军事、航空航天、物流运输等领域发挥重要作用,并推动航空技术的进一步发展。然而,此类飞行器的工作环境主要集中于平流层和同温层,该高度范围内大气密度低、氧气稀薄、温度变化大,同时高速飞行过程中,飞行器空气动力学特性发生显著变化。由于与大气的高速摩擦,其表面产生极高的温度,引起力/热/结构等多场耦合效应,使得低速飞行器设计中可以忽略的问题变得不可忽视,为飞行器设计带来新的挑战。传统的独立设计方式忽略各学科之间的相互影响,可能无法有效应付高速飞行器复杂的工作环境,导致飞行器整体性能不佳。针对以上问题,本文提出考虑综合热效应的气动/控制一体化设计,通过考虑气动布局与本体控制性能的相互影响,采用层次分析方法建立面向气动/控制需求的优化设计模型,给出处于综合热效应影响下高速飞行器最优控制的折衷飞行状态范围,达到减少设计迭代次数、提高飞行器性能、改善飞行器的稳定性和操纵性的目的。具体工作包括: (1)针对综合热效应影响下飞行器结构随累积热的增加不断发生变化所导致的多物理场耦合和复杂工作环境问题,以飞行马赫数大于5的高速飞行器标模为研究对象,通过动力学建模的关键因素分析,给出了综合热效应对飞行器结构变形的影响规律,得到了当考虑综合热效应的影响时,飞行器本体动力学建模的飞行条件范围。据此建立了考虑综合热效应影响的飞行器本体动力学模型,分析了其对飞行器气动特性、操稳特性和配平特性的影响规律,明确了建立高保真度的气动代理模型的重要性,为开展气动/控制一体化设计研究奠定基础。 (2)针对气动代理模型无法兼顾模型精度和计算效率的问题,以飞行条件范围所获得的气动数据作为数据集,采用迁移学习的方法,通过数据共享、知识迁移、参数共享和领域适应等机制,将kriging在有限高精度数据上的优势和深度学习在高维空间大数据条件下的优势相结合。仿真实验结果表明,与kriging气动代理模型和深度学习代理模型相比,本文提出的迁移学习代理模型在模型保真度方面约提升9.64%以上,在计算效率方面约提升5.65%,实现了模型保真度和计算效率之间的平衡,为控制律设计和一体化设计优化提供好的被控对象。 (3)针对高速飞行器在巡航段内定高巡飞过程中,在累积热影响下飞行器结构发生形变,无法沿预期状态飞行的问题,以建立的飞行器动力模型为被控对象,采用深度强化学习的方法开展控制律设计。该方法可以通过实时与环境交互学习得到新的控制策略,以适应系统动力学特性的变化,为后续开展布局散布/控制偏离相互作用对飞行任务的影响分析以及气动/控制一体化优化设计提供了有力支持。 (4)针对飞行器气动和控制解耦设计不仅增加了设计的时间成本,还可能导致次优的设计结果的问题,以气动布局评估指标和控制性能评估指标为基础,选择层次分析法建立的综合性能评估指标体系作为最优化目标函数,构建了气动/控制一体化设计优化模型,采用直接搜索算法,提出了考虑综合热效应影响的高速飞行器综合性能最优的折衷优化方案,该方案对飞行器总体性能约提升17.9%以上,为此类高速飞行器设计提供设计方法和技术支撑。

关键词：高速飞行器综合热效应气动/控制一体化设计气动代理模型综合性能评估指标体系

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面向飞行性能的仿生微型扑翼飞行器优化设计

面向飞行性能的仿生微型扑翼飞行器优化设计

引用

作者：马兴广电子科技大学

学位级别：硕士

受自然界中飞行生物的启发而研制的仿生微型扑翼微型飞行器拥有类似扑翼生物的高超飞行能力。因其出色的飞行性能和高度的仿生性,仿生微型扑翼飞行器未来在军事、民用等众多领域有着广阔的应用前景,并开始成为国内外研究热点。本文以自... 详细信息

受自然界中飞行生物的启发而研制的仿生微型扑翼微型飞行器拥有类似扑翼生物的高超飞行能力。因其出色的飞行性能和高度的仿生性,仿生微型扑翼飞行器未来在军事、民用等众多领域有着广阔的应用前景,并开始成为国内外研究热点。本文以自主研发的仿生微型扑翼飞行器为研究对象,面向其各项飞行性能的提升,开展了一系列研究,具体研究内容包括以下几方面:首先,在当前研究基础上,设计了具有三尾舵T型尾翼的仿生微型扑翼飞行器,包括其扑翼机构、翅翼和尾翼的设计。此外对该款扑翼样机的气动性能进行了理论分析,对翅翼进行了形态学和运动学描述,并基于叶素理论和准定常方法分析了翅翼气动力,使用传统空气动力学对尾翼气动力进行了分析,进一步采用旋转矩阵得到扑翼样机整机气动力。其次,为测试仿生微型扑翼飞行器的飞行性能,搭建了适用于本研究对象的气动实验平台,包括基于F/T传感器的物理气动实验平台和基于Xflow的仿真气动实验平台的搭建。此外提出了测试仿生微型扑翼飞行器气动特能的实验方法,包括物理与仿真气动实验的实施步骤以及对原始实验数据的处理方法。最后通过物理与仿真气动实验测试了微型扑翼飞行器在多种工况下的气动力与力矩性能。再次,为提升仿生微型扑翼飞行器扑翼升力性能,对扑翼样机的仿生翅翼进行了优化设计。通过正交实验对翅翼各设计参数关于扑翼升力的影响显著性进行了分析,以此确定翅翼优化变量。使用最优拉丁超立方试验设计方法在设计空间进行采样,通过物理气动实验和CFD实验分别获得高低精度的气动响应,进一步采用Cokriging方法构建了翅翼参数及扑翼频率关于扑翼升力的变精度气动代理模型,并通过物理气动实验对模型精度加以验证。最后以扑翼样机在工作频率范围内的平均扑翼升力为目标,基于Cokriging扑翼升力模型建立了翅翼优化数学模型,使用PSO算法进行求解,并实施了对比实验对优化效果进行验证。最后,为提升仿生微型扑翼飞行器的转向性能,对T型尾翼的各尾舵几何参数进行了优化设计。通过正交实验探究了各参数关于扑翼样机气动性能的影响显著性,以此确定尾舵优化变量。通过最优LHD方法和物理气动实验进行抽样和气动响应的获得,进一步采用Kriging方法构建了三种转向模式的气动代理模型。最后以尾舵偏转角度范围内扑翼样机的平均气动升力和力矩为目标,建立了各尾舵的多目标优化数学模型,采用MOPSO算法求解并通过对比实验验证了优化效果。

关键词：微型扑翼飞行器优化设计气动实验气动代理模型飞行性能

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吸气式空空导弹外形多学科一体化优化设计

引用

航空学报 2016年第1期37卷 207-215页

作者：王荣张红军王贵东陈广强白鹏张珍铭李晓冬傅建明中国航天空气动力技术研究院北京100074 上海机电工程研究所上海201109

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外... 详细信息

针对采用整体式固冲发动机的吸气式空空导弹外形气动与推进耦合的推阻匹配设计难题,引入多学科优化设计方法提出了一种综合考虑气动/推进/质量/弹道的导弹外形多学科一体化优化设计技术。其中,气动性能预测采用代理模型技术,主要基于外形参数化建模、非结构网格技术和流场精细数值计算来自动构建气动数据库,据此建立了包含外形几何信息的气动预测代理模型,并对其预测精度进行了验证;推进性能预测采用推进求解模型,该模型根据固冲发动机理论建立,精度满足工程要求。对所建立的学科预测模型完成一体化集成后,以质点弹道仿真评估的战技指标为优化目标,对一款吸气式空空导弹进气道和翼面外形进行了优化设计,取得了推阻匹配的优化外形,优化后导弹动力射程提高10%。所提出的一体化优化设计技术,有助于吸气式空空导弹外形气动与推进耦合推阻匹配设计和提高导弹动力射程。

关键词：吸气式空空导弹多学科一体化优化设计气动代理模型推阻匹配

来源：评论

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