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高超声速组合飞行器分离策略与控制方法

高超声速组合飞行器分离策略与控制方法

作者：杜逸清哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着时代的不断发展,高超声速技术成为了目前航空领域研究的重点之一,而在高超声速飞行器飞行执行任务的过程中,往往会出现多体分离/载荷释放的情况,且由于飞行器外部结构设计日趋复杂,导致其产生的干扰流场会严重影响分离过程中子、母... 详细信息

随着时代的不断发展,高超声速技术成为了目前航空领域研究的重点之一,而在高超声速飞行器飞行执行任务的过程中,往往会出现多体分离/载荷释放的情况,且由于飞行器外部结构设计日趋复杂,导致其产生的干扰流场会严重影响分离过程中子、母体飞行器的气动特性,进一步影响飞行姿态从而导致分离安全性下降甚至碰撞事故的发生。本文以高超组合飞行器的分离过程为研究背景,建立了安全分离判定准则;针对存在强气动干扰的情况设计了高超声速组合飞行器分离设计模型;并针对分离过程中的分离安全问题,基于预设性能方法设计了高超声速组合飞行器的分离控制算法。本文主要开展以下研究工作:首先,本文分析了研究课题的来源及其重要性,给出论文所需的相关坐标系定义及其转换关系的数学表达式;考虑非线性因素,建立高超声速组合飞行器的六自由度数学模型,建立了分离阶段组合飞行器的子、母体飞行器间相对运动模型,为后续研究奠定了基础。其次,对高超声速情况下分离过程的安全性开展研究,设计用于实现安全分离的分离策略。通过定义安全分离,建立安全分离判定准则用于判断分离过程是否安全,将分离过程中的碰撞问题转化为对飞行器的姿态约束问题,为后续研究中建立组合飞行器分离控制模型和控制算法奠定了基础。再次,根据建立的分离安全判定准则,在考虑飞行器姿态约束的情况下,建立了高超声速组合飞行器的三通道独立分离控制模型,将通道间耦合项视为有界不确定性。基于建立的设计模型,采用有限时间状态观测器(Finite-time Extended State Observes,FTESO)对模型线性化过程中忽略的高阶项和复杂系统不确定性进行实时观测,在逐层设计控制量时进行补偿,以达到主动抗扰的效果;设计受限指令滤波器与抗饱和辅助系统,通过反馈补偿量以实现快速退饱和;结合预设性能方法设计三通道独立的分离控制方法,提高系统的动态性能,最后通过理论分析与仿真验证了设计的分离控制方法的有效性,满足先前设计的安全分离策略要求。最后,考虑三通道独立设计存在的不足,在充分考虑通道间存在的耦合影响的基础上,另设计了一种高超声速组合飞行器的全状态耦合分离控制模型,相较于三通道独立设计的主要区别是,不再采用近似线性化的方法将对相对姿态约束转化为对攻角、侧滑角的约束,而是直接将相对姿态角作为系统状态量进行控制;最后通过理论分析与仿真验证了设计分离控制方法的有效性,且相较于三通道独立设计对滚转通道控制效果明显提升,提升了系统的整体控制性能。

关键词：高超声速组合飞行器分离安全性分离控制

应用等离子体进行翼型前缘分离控制的数值模拟研究

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空气动力学学报 2009年第1期27卷 1-4页

作者：薛帮猛杨永西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室陕西西安710072

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,求解带源项的Navier-Stokes方程,数值模拟了等离子体激励器在NACA0015翼型大迎角下的分离控制效果,彻体力为净电荷在外加电场作用下的电场力。解拉普拉斯方程得到外加电场分布,等离子体... 详细信息

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,求解带源项的Navier-Stokes方程,数值模拟了等离子体激励器在NACA0015翼型大迎角下的分离控制效果,彻体力为净电荷在外加电场作用下的电场力。解拉普拉斯方程得到外加电场分布,等离子体中的净电荷分布由泊松方程给出。为了较好地模拟分离涡的发展,采用了雷诺平均与大涡模拟相结合的脱体涡模拟(Detached Eddy Simulation)方法。通过与实验结果对比,发现该模型能较好地模拟等离子体激励器的控制作用。

关键词：等离子体分离控制脱体涡模拟

基于高阶模糊边界复杂系统的分离控制和仿真(英文)

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系统仿真学报 2013年第11期25卷 2699-2708,2716页

作者：熊丹 CHEN Y H 赵韩黄晋合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥230009 美国佐治亚理工学院美国亚特兰大30332 江苏苏净集团有限公司苏州215122 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082

不确定性广泛地存在于工程系统中,针对不确定复杂系统提出了一种分离控制方法。该复杂系统的不确定性有界,边界由不确定的参数描述,该不确定参数通过模糊逻辑表示,每个不确定参数对应特定的一个模糊集。由于参数的不确定性和外界扰动,... 详细信息

不确定性广泛地存在于工程系统中,针对不确定复杂系统提出了一种分离控制方法。该复杂系统的不确定性有界,边界由不确定的参数描述,该不确定参数通过模糊逻辑表示,每个不确定参数对应特定的一个模糊集。由于参数的不确定性和外界扰动,该边界是高阶形式,即含有不确定参数的模糊边界。通过对反应系统平均模糊特性的性能指数进行最小化得到复杂系统的最优化分离控制,最小化性能指数的解被证明存在且唯一。同时,对上述最优化分离控制方法的设计和应用步骤进行了总结。最后,将该控制方法应用到机械系统实例,实验结果显示,该方法优于PD控制和自适应控制,适用于不确定性存在边界的复杂系统控制。

关键词：复杂系统不确定边界模糊集理论分离控制系统仿真

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附面层抽吸位置对翼型绕流分离控制的影响

南京理工大学学报 2013年第5期37卷 710-715页

作者：张旺龙谭俊杰陈志华任登凤南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094 南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

为了深入研究抽吸作用位置对翼型绕流分离控制效果的影响,采用HLLC格式和双时间步长LU-SGS隐式算法对二维可压N-S方程进行数值求解,数值模拟了雷诺数Re为6 000时,NACA0012翼型在上翼面抽吸控制下的翼型绕流流场。研究了抽吸区域位置对... 详细信息

为了深入研究抽吸作用位置对翼型绕流分离控制效果的影响,采用HLLC格式和双时间步长LU-SGS隐式算法对二维可压N-S方程进行数值求解,数值模拟了雷诺数Re为6 000时,NACA0012翼型在上翼面抽吸控制下的翼型绕流流场。研究了抽吸区域位置对翼型流动分离和翼型气动性能的影响。结果表明:同一抽吸系数下,合理的抽吸位置是有效改善翼型气动性能的重要因素,并且不同抽吸位置的作用机制不同。对于以开式分离为特征的NACA0012翼型绕流,其合理抽吸区域位于翼型前缘分离区内。

关键词：附面层抽吸位置翼型绕流分离控制

翼型前缘分离流动在等离子体激励器控制下的响应

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计算物理 2008年第6期25卷 689-693页

作者：薛帮猛杨永西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室陕西西安710072

将等离子体对中性气体的作用模型化为彻体力矢量,采用DES(Detached Eddy Simulation)和DDES(Delayed-Detached Eddy Simulation)方法,求解带彻体力源项的Navier-Stokes方程,研究NACA0015翼型16°迎角下,前缘分离流动在等离子体激励器控制下的响应过程.激励器工作后,DDES计算结果显示,分离流动经历一个渐近的再附过程;DES计算因发生网格诱导分离,得到了非定常的响应过程.

关键词：等离子体分离控制脱体涡模拟延迟脱体涡模拟

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前缘吹气控制舵面流动分离

北京航空航天大学学报 2012年第7期38卷 853-856页

作者：邓学蓥吴鹏王延奎北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

针对各种飞行器大舵偏下出现的流动分离问题,在北航D4风洞对旨在消除舵面流动分离的舵面前缘吹气技术进行了研究,为了降低控制分离所用的吹气量,吹气点设置在舵面前缘气流分离点处.应用粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技... 详细信息

针对各种飞行器大舵偏下出现的流动分离问题,在北航D4风洞对旨在消除舵面流动分离的舵面前缘吹气技术进行了研究,为了降低控制分离所用的吹气量,吹气点设置在舵面前缘气流分离点处.应用粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术,分析了舵面绕流在吹气量由小变大过程中所经历的3个不同演化阶段;由测压得到的舵面压力分布则显示,前缘吹气造成的引射作用使前缘吸力峰随吹气量增大而增大,这是前缘吹气能够使舵面升力增大的主要机理.实验结果还表明,前缘吹气可明显提高舵面升力,同时也可以显著降低舵面阻力.

关键词：吹气分离控制增升机理

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基于分离方法的加热炉燃烧控制策略

控制与决策 2005年第12期20卷 1408-1410,1414页

作者：杨英华陈晓波江云波东北大学教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室东北大学信息科学与工程学院沈阳110004

针对加热炉燃烧控制中普遍存在的燃气热值不稳定问题,提出一种燃烧控制的新方案——分离控制.该方法保留了传统的温度-燃料流量串级控制,同时按照生产率模型调节空气流量,克服了以往串级比值燃烧控制策略无法解决的燃料热值波动时空燃... 详细信息

针对加热炉燃烧控制中普遍存在的燃气热值不稳定问题,提出一种燃烧控制的新方案——分离控制.该方法保留了传统的温度-燃料流量串级控制,同时按照生产率模型调节空气流量,克服了以往串级比值燃烧控制策略无法解决的燃料热值波动时空燃比难以自动修正的缺陷.实际工业应用结果表明,分离控制不但较好地解决了热值波动时燃烧效率问题,而且改善了炉膛温度的控制质量.

关键词：加热炉燃烧控制热值空燃比分离控制

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非定常尾迹控制叶栅分离研究

工程热物理学报 2012年第6期33卷 949-952页

作者：刘飞刘辉涂运冲胡亚涛吴克启中国舰船研究设计中心湖北武汉430064 华中科技大学能源与动力工程学院湖北武汉430074

本文采用大涡模拟对某大转角叶栅的非定常分离流动及其在非定常尾迹作用下的分离控制机理进行了数值分析。主要捕捉了两个特征频率:分离泡不稳定频率f_(shear)和尾缘脱落涡频率f_(shed),研究了不同的激励频率、尾迹移动方向、随机脉动... 详细信息

本文采用大涡模拟对某大转角叶栅的非定常分离流动及其在非定常尾迹作用下的分离控制机理进行了数值分析。主要捕捉了两个特征频率:分离泡不稳定频率f_(shear)和尾缘脱落涡频率f_(shed),研究了不同的激励频率、尾迹移动方向、随机脉动等激励特征控制流动分离的效果。结果显示:特定外部频率强化了分离剪切层中的K-H展向涡结构,f_(shed)能同时影响分离区域和尾涡区域,f_(shear)只能作用于分离区域;尾迹从吸力面向压力面移动时,分离结构表现出对来流周期性更明显的响应;进口随机脉动对破坏K-H展向涡结构非常有效。

关键词：非定常尾迹轴流叶栅分离控制大涡模拟

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轴流风机内流分离控制技术的实验研究

流体机械 1998年第6期26卷 7-9页

作者：刁文庆胡亚非重庆市煤炭科学研究总院重庆分院装备所 630037 中国矿业大学

轴流风机内流分离控制是实现“性能无驼峰”的关键环节，本文研究表明锥环形稳流器的消驼效果主要取决于叶片未遮盖度。

关键词：分离控制稳流器轴流式通风机