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基于数值虚拟飞行的高机动弹动态逆控制律设计

基于数值虚拟飞行的高机动弹动态逆控制律设计

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第四届全国非定常空气动力学学术会议

作者：马戎常兴华章胜张来平计算空气动力学研究所中国空气动力研究与发展中心国家空气动力学重点实验室中国空气动力研究与发展中心

随着制空权争霸日趋激烈,军方对飞行器的机动性和敏捷性要求越来越高,研究者们开始将CFD与飞控系统设计结合起来,利用CFD数值模拟机动飞行过程,即采用数值虚拟飞行[1]的手段。本文发展了基于动态重叠混合网格的非定常RANS方程求解/刚体... 详细信息

随着制空权争霸日趋激烈,军方对飞行器的机动性和敏捷性要求越来越高,研究者们开始将CFD与飞控系统设计结合起来,利用CFD数值模拟机动飞行过程,即采用数值虚拟飞行[1]的手段。本文发展了基于动态重叠混合网格的非定常RANS方程求解/刚体运动学/飞行控制一体化耦合计算求解器,并基于此采用非线性动态逆[2]设计了高机动弹(图3)俯仰姿态的控制律。随后,采用该耦合求解器对俯仰机动过程进行了模拟和分析,对基本的动态逆控制律进行了改进,并获得了一组较优的控制增益参数,实现了较好的俯仰机动控制效果。在耦合求解器中,非定常RANS方程求解、刚体运动学方程计算和控制律被集成于统一的软件平台(图1)。导弹舵偏由控制律提供,网格采用动态重叠网格技术生成。对于流场/运动耦合问题,六自由度方程采用显/隐式方法与URANS方程一同求解。控制律的输入为当前时间步的飞行器六自由度参数,输出为舵偏角,因此控制律函数采用显式方法与整个系统一起求解。在耦合模拟过程中,非定常气动力由URANS求解器提供,与线性控制方法相比,气动力的非线性/非定常特性能够被更准确地捕捉。根据奇异摄动理论,可将飞行器动态进行时标分离,通过动态逆构建一个双回路控制系统。对于俯仰机动过程,基于运动学的外回路将当前攻角与目标攻角之差转换为角速度指令信号,基于动力学的内回路将当前角速度与角速度指令之差转换为舵偏角。因为在控制系统设计中采用了一些近似,所以最终配平攻角会与目标攻角存在一定的稳态误差。为了消除稳态误差,在外回路中引入了积分控制技术。同时,为了优化控制系统响应和确保系统稳定性,对积分项的贡献和角速度指令也进行了一定限制。图2所示为优化后的控制响应结果,虚线为原始动态逆控制及增益参数的响应过程,实线为优化后控制律的响应过程。相比之下,优化后的控制律消除了稳态误差,上升时间缩短了近一半,调节时间也减少了约20%,且并没有出现明显的超调现象,控制性能得到了明显的改善。图3所示为配平状态下的流场结构和压力云图,前部小翼和尾舵附近的涡系结构都能较好捕捉。

关键词：数值虚拟飞行非线性动态逆动态重叠混合网格高机动弹俯仰机动

来源： cnki会议评论

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