高空長航時無人機普遍采用大展弦比機翼以提高氣動效率和結(jié)構(gòu)效率,而大展弦比機翼往往具有較大柔性、氣動彈性問題突出,不利于無人機飛行穩(wěn)定性和操縱性。主動氣動彈性控制技術(shù)為解決這類柔性機翼的氣動彈性問題提供了新思路。其中智能壓電材料因其具有響應(yīng)速度快、帶寬高、分布靈活、時滯小等多方面的優(yōu)勢,在機翼主動控制中得到廣泛應(yīng)用。新型的壓電纖維復(fù)合材料可以提供更大的驅(qū)動應(yīng)變、更好的柔韌性和各向異性驅(qū)動特性。壓電驅(qū)動的柔性機翼翼面能夠主動利用而不是抵抗結(jié)構(gòu)柔性和氣動彈性效應(yīng),從而可以降低機翼重量、提高結(jié)構(gòu)適應(yīng)性和可靠性。利用翼面變形產(chǎn)生的附加氣動力還可以實現(xiàn)無人機的飛行控制。壓電驅(qū)動柔性翼面的動力學(xué)模型涉及結(jié)構(gòu)動力學(xué)、非定常氣動載荷和壓電驅(qū)動作用及其相互間的復(fù)雜耦合作用。為充分利用壓電纖維作動器的驅(qū)動能力,增強主動氣動彈性控制能力,需對這類主動翼面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,主要包括作動器優(yōu)化配置和氣動彈性裁剪。要實現(xiàn)更好的翼面變形效果,不僅要實現(xiàn)靜態(tài)變形控制,還需研究動態(tài)變形控制,以滿足變形過程的動態(tài)性能要求。此外,研究如何利用翼面主動變形實現(xiàn)無人機飛行控制也至關(guān)重要。本文以一個大展弦比機翼的簡化翼面結(jié)構(gòu)為對象、以新型壓電纖維復(fù)合材料為作動器,研究這類壓電驅(qū)動柔性翼面的耦合動力學(xué)建模、優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)變形控制及其在無人機滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制中的應(yīng)用。本文的主要研究內(nèi)容包括:(1)壓電驅(qū)動柔性翼面的結(jié)構(gòu)/氣動/控制耦合動力學(xué)建模。首先建立了壓電驅(qū)動柔性翼面的結(jié)構(gòu)有限元模型,并通過MFC驅(qū)動的懸臂鋁板的靜態(tài)變形控制試驗驗證了模型的準(zhǔn)確性�；谄瑮l原理和二元機翼Theodorsen氣動力理論建立了非定常氣動力載荷模型,并推導(dǎo)了時域氣動力表達(dá)式。給出了壓電驅(qū)動翼面的結(jié)構(gòu)/氣動/控制耦合動力學(xué)模型,并進(jìn)行了模型降階,最后得到了狀態(tài)空間形式的主動氣動彈性控制方程。(2)作動器優(yōu)化配置與結(jié)構(gòu)/作動器一體化設(shè)計。分析了壓電纖維朝向、鋪設(shè)方式對壓電纖維作動器驅(qū)動特性的影響,結(jié)果表明雙層反對稱鋪設(shè)方案能夠?qū)崿F(xiàn)更好的翼面變形控制。分別以系統(tǒng)可控度和H_∞范數(shù)為目標(biāo)函數(shù),提出了面向翼面結(jié)構(gòu)控制和升力控制的作動器優(yōu)化配置。利用遺傳算法同時對作動器鋪設(shè)位置、壓電纖維朝向進(jìn)行了優(yōu)化,并分析了飛行速度、飛行高度、作動器個數(shù)和尺寸對配置結(jié)果的影響。進(jìn)一步,結(jié)合作動器優(yōu)化配置和氣動彈性裁剪,提出了壓電驅(qū)動復(fù)合材料翼面的結(jié)構(gòu)/作動器一體化設(shè)計方法,在氣動彈性穩(wěn)定性約束下對翼面基體鋪層角度、作動器鋪設(shè)位置和壓電纖維朝向進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,并分析了顫振速度約束、鋪層角間隔以及鋪層數(shù)對一體化設(shè)計結(jié)果的影響。最后,結(jié)合實際應(yīng)用給出了壓電驅(qū)動復(fù)合材料翼面的一體化設(shè)計方案。(3)壓電驅(qū)動翼面的動態(tài)變形控制系統(tǒng)設(shè)計。以提高翼面升力特性為控制目標(biāo),提出了考慮振動抑制的終端變形控制和軌跡跟蹤動態(tài)變形控制方法。針對一些簡單的電壓加載方式易導(dǎo)致翼面結(jié)構(gòu)瞬態(tài)、殘余振動和氣動力振蕩的問題,提出了考慮振動抑制的終端變形控制方法。采用二次規(guī)劃法得到了最優(yōu)電壓加載時間歷程,有效抑制了翼面變形過程的振動,實現(xiàn)了連續(xù)、光滑的增升過程,進(jìn)一步結(jié)合LQ、H_∞調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了閉環(huán)控制,提高了控制系統(tǒng)抗干擾能力。研究了面向軌跡跟蹤的動態(tài)變形控制,設(shè)計了基于二次規(guī)劃法的跟蹤控制器和有限時長的時變LQG跟蹤控制器,實現(xiàn)了預(yù)期的翼面動態(tài)變形過程。(4)基于壓電驅(qū)動翼面變形的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制�？紤]了翼面變形和無人機滾轉(zhuǎn)機動間的耦合作用,建立了“準(zhǔn)坐標(biāo)系”下面向滾轉(zhuǎn)控制的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。仿真結(jié)果表明,電壓加載方式對于滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制效果具有重要影響,剛?cè)狁詈闲?yīng)會加劇翼面的彎曲振動。利用本文所提出的電壓加載時間歷程優(yōu)化方法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的滾轉(zhuǎn)姿態(tài)控制效果。設(shè)計了有限時長的時變LQG滾轉(zhuǎn)率跟蹤控制系統(tǒng),對預(yù)設(shè)的滾轉(zhuǎn)率變化參考軌跡實現(xiàn)了有效地跟蹤。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V224
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｈｉｇｈ邋ａｌｔｉｔｕｄｅ邋ｌｏｎｇ邋ｅｎｄｕｒａｎｃｅ邋ｕｎｍａｎｎｅｄ邋ａｅｒｉａｌ邋ｖｅｈｉｃｌｅｓ逡逑為滿足飛行高度和續(xù)航時間的設(shè)計需求，高空長航時無人機普遍采用大展弦比機翼逡逑氣動布局形式，如圖１．１所示。大展弦比機翼具有誘導(dǎo)阻力小、升阻比高的典型氣動特逡逑點。另一方面，為提高結(jié)構(gòu)效率、減輕結(jié)構(gòu)重量，機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量采用輕質(zhì)材料［８］。逡逑大展弦比機翼的上述特點，不可避免地帶來了機翼結(jié)構(gòu)柔性和氣動彈性問題［９］，如在飛逡逑－１邋－逡逑

［２0－２２］。其中，由邋ＮＡＳＡ邋Ｌａｎｇｌｅｙ邋研究中心研發(fā)的邋ＭＦＣ邋（Ｍａｃｒｏ邋Ｆｉｂｅｒ邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，宏纖維逡逑復(fù)合材料）作動器是目前較先進(jìn)的壓電纖維作動器［６３］，如圖１．３所示。ＭＦＣ作動器由逡逑ＰＺＴ邋（ｌｅａｄ邋ｚｉｒｃｏｎａｔｅ邋ｔｉｔａｎａｔｅ）壓電纖維和有機聚合物基根據(jù)一定的體積比復(fù)合而成；并逡逑采用了矩形截面的壓電纖維和叉指式電極，從而增大了接觸面積、提高了驅(qū)動能力。此逡逑夕卜，ＭＦＣ作動器能夠提供面內(nèi)各向異性的驅(qū)動特性［６４］。目前，ＭＦＣ作動器己廣泛應(yīng)用逡逑于固定翼、旋翼、撲翼等機翼的主動控制研宄中，并進(jìn)行了相關(guān)風(fēng)洞試驗和小型無人機逡逑的飛行試驗［２７—３（），４６，６５－６８］，如圖１．４、圖１．５所示。逡逑圖１．３邋ＭＦＣ作動器１６３１逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＭＦＣ邋ａｃｔｕａｔｏｒｓ逡逑圖１．４邋ＭＦＣ作動器在變形機翼中的應(yīng)用１６６＿６８１逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ＭＦＣ邋ａｃｔｕａｔｏｒｓ邋ｉｎ邋ｍｏｒｐｈｉｎｇ邋ｗｉｎｇｓ逡逑－６－逡逑

［２0－２２］。其中，由邋ＮＡＳＡ邋Ｌａｎｇｌｅｙ邋研究中心研發(fā)的邋ＭＦＣ邋（Ｍａｃｒｏ邋Ｆｉｂｅｒ邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，宏纖維逡逑復(fù)合材料）作動器是目前較先進(jìn)的壓電纖維作動器［６３］，如圖１．３所示。ＭＦＣ作動器由逡逑ＰＺＴ邋（ｌｅａｄ邋ｚｉｒｃｏｎａｔｅ邋ｔｉｔａｎａｔｅ）壓電纖維和有機聚合物基根據(jù)一定的體積比復(fù)合而成；并逡逑采用了矩形截面的壓電纖維和叉指式電極，從而增大了接觸面積、提高了驅(qū)動能力。此逡逑夕卜，ＭＦＣ作動器能夠提供面內(nèi)各向異性的驅(qū)動特性［６４］。目前，ＭＦＣ作動器己廣泛應(yīng)用逡逑于固定翼、旋翼、撲翼等機翼的主動控制研宄中，并進(jìn)行了相關(guān)風(fēng)洞試驗和小型無人機逡逑的飛行試驗［２７—３（），４６，６５－６８］，如圖１．４、圖１．５所示。逡逑圖１．３邋ＭＦＣ作動器１６３１逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋ＭＦＣ邋ａｃｔｕａｔｏｒｓ逡逑圖１．４邋ＭＦＣ作動器在變形機翼中的應(yīng)用１６６＿６８１逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ＭＦＣ邋ａｃｔｕａｔｏｒｓ邋ｉｎ邋ｍｏｒｐｈｉｎｇ邋ｗｉｎｇｓ逡逑－６－逡逑

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本文編號：2821659