高超飞行器面向控制.PDF

高超飞行器面向控制高超飞行器面向控制 气动建模问题讨论 黄迅黄迅 huangxun@ /faculty/huangxuncn/faculty/huangxun 北京大学工学院 年11月月 黄迅(huangxun@) 1 主要内容主要内容 • 面向控制动力学建模面向控制动力学建模 • 高超中相关方法高超中相关方法 • 国外进展 • 国内现状 • 我们的相关工作介绍我们的相关工作介绍 黄迅(huangxun@) 2 什么是面向控制气动建模什么是面向控制气动建模？？ • 除除了PID，控制设计控制设计一般需要被控对象模型般需要被控对象模型。 • 合理的面向控制模型应体现被控对象的主合理的面向控制模型应体现被控对象的主 要物理（动力学）特征，如稳定性、耦合、 静态性能静态性能、动态性能等动态性能等。 • 依赖具体模型或进一步提炼出来的理想模 型讨论控制方法才能避免无的放矢。 黄迅(huangxun@) 3 HyperHyper控制相关设计单位控制相关设计单位 • 气动人员气动人员：飞行包线中选取若干点通过实验和计算获得力和力飞行包线中选取若干点通过实验和计算获得力和力 矩，和当地动压归一化后得到系数表格。数学本质：从NS偏微 分方程转化到动力学常微分方程分方程转化到动力学常微分方程。 • 建模人员：通过调舵面平衡动力学常微分方程，在平衡点小扰 动获得线性化模型。数学本质：把非线性的动力学常微分方程 改写为各个平衡点处的线性化常微分方程改写为各个平衡点处的线性化常微分方程 （（常规常规））。 • 控制人员：设计控制方法，包括针对线性化模型的控制器、和 直接针对非线性的动力学常微分方程的控制方法直接针对非线性的动力学常微分方程的控制方法。 • 工程人员：在工程实际约束下的控制器算法实现、整个控制系 统构建（n余度备份、总线通讯、传感器和执行器件）；测试： 从PC计算机模拟、到飞控计算机快速原型模拟、到真实飞控计 算机模拟、到带被控对象计算机模型的闭环半实物仿真、到带 被控对象风洞模型的半实物仿真被控对象风洞模型的半实物仿真、到实弹自由飞到实弹自由飞、到最终试飞到最终试飞。 黄迅(huangxun@) 4 如何面向控制气动建模如何面向控制气动建模 （（简略简略））一般步骤般步骤： （1）假设飞行器为刚体，根据外形、密度推算质量和动量，书写 刚体动力学方程刚体动力学方程 （（力和动量守恒力和动量守恒）；）； （2 ）自变量x为角加速度、加速度、攻角等； （（33 ））给出力和力矩即可得到封闭方程给出力和力矩即可得到封闭方程；； （4 ）对x小扰动得(x+x’)，方程如果左右平衡需要舵面相应变化u’， 因此可建立x’和u’的线性化模型，而输出y’一般为x’ 的部分或者 全部； （5 ）线性化过程中出现一系列常数，即飞行力学中熟知的Control  derivativesderivatives和和stabilitystability derivativesderivatives； （6 ）建模关键是获得各个x和u’下的力和力矩，这是气动工作。 黄迅(huangxun@) 5 如何获得力和力矩如何获得力和力矩？？ • 风洞实验测量洞实验测量。从莱特从莱特兄弟弟开始人们在始人们在风洞中模拟洞中模拟飞行状态行状态， 采用天平测力和力矩，采用强迫振动法获得阻尼。对常规飞行 器大气变化不剧烈器大气变化不剧烈，，只要雷诺数保持相似就可获得精度可接受只要雷诺数保持相似就可获得精度可接受 结果。 • CFD计算模拟。利用各种湍流模型封闭Navier‐Stokes方程计算模 拟拟，又称数值称数值风洞，根