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基于机器学习的智能控制数值虚拟飞行方法

航空学报 2023年第17期44卷 74-86页

作者：梁益铭李广宁徐敏西北工业大学航天学院西安710072 西安现代控制技术研究所西安710065

提出并实现了一种基于机器学习的PID智能控制策略下的数值虚拟飞行算法,结合Basic Finner导弹标准模型算例,对所提出算法进行了验证和评估分析,表明本文算法可行,并具有良好的应用前景。首先,搭建了一种基于重叠动网格技术的CFD/RBD耦... 详细信息

提出并实现了一种基于机器学习的PID智能控制策略下的数值虚拟飞行算法,结合Basic Finner导弹标准模型算例,对所提出算法进行了验证和评估分析,表明本文算法可行,并具有良好的应用前景。首先,搭建了一种基于重叠动网格技术的CFD/RBD耦合数值虚拟飞行仿真模型。针对Basic Finner导弹的标准工况进行了无控自由飞行状态的数值飞行模拟,并结合实验结果对所构建的数值虚拟飞行仿真算法进行了验证和评估,表明所采用的数值模拟算法可用于数值虚拟飞行环境下的智能控制参数设计与仿真评估;其次,结合数值虚拟飞行过程对飞行器气动、姿态和位移等参数的实时控制需求,提出了一种基于BP神经网络算法的PID参数在线学习的智能控制器,并针对Basic Finner导弹的俯仰通道,分别对传统PID控制策略和智能PID控制策略下的导弹自由释放后的俯仰角快速稳定控制过程、阶跃式和正弦式俯仰角输入下的导弹跟踪控制过程进行了数值虚拟飞行仿真模拟。研究表明,基于BP神经网络的PID智能控制器能够根据所获得的实时飞行参数,实现控制参数的在线学习和自我优化、调整,相比于传统PID控制器,对于不同输入工况表现出良好的适应性,所关注的控制变量的超调量、上升时间、过渡时间、稳态误差等性能指标均有很大的提高,学习效率越高,则系统响应速度越快,超调量也越大,稳定误差越小。

关键词：数值虚拟飞行机器学习 BP神经网络 PID 重叠动网格

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结冰飞机数值虚拟飞行研究现状与展望

飞行力学 2023年第4期41卷 1-9页

作者：伍强徐浩军裴彬彬魏扬曲青阳空军工程大学陕西西安710038 西安电子科技大学电子工程学院陕西西安710071 中国人民解放军94639部队江苏南京211500

结冰是持续威胁航空安全的主要气象因素之一。飞机在结冰条件下的飞行是一个传热传质学、空气动力学及飞行力学多学科耦合作用过程。现有研究工作主要将该过程解耦为冰结构的形成机理及冰层的发展演化、结冰后流场的流动机理及飞机的气... 详细信息

结冰是持续威胁航空安全的主要气象因素之一。飞机在结冰条件下的飞行是一个传热传质学、空气动力学及飞行力学多学科耦合作用过程。现有研究工作主要将该过程解耦为冰结构的形成机理及冰层的发展演化、结冰后流场的流动机理及飞机的气动特性、结冰对飞机飞行动力学特性及飞行安全影响机制分别进行研究。借鉴现代飞行器设计中解决气动、运动、控制多学科耦合问题所采用的数值虚拟飞行方法,对结冰飞机的冰形预测、结冰后飞机的气动特性和飞行动力学特性,以及数值虚拟飞行等4个研究内容进行综述,系统介绍了研究的代表性成果并加以总结和分析,提出“结冰飞机数值虚拟飞行”的研究展望,并归纳需解决的关键问题。

关键词：结冰多学科耦合数值虚拟飞行数值模拟非定常流场

一种基于数值虚拟飞行技术的弹丸稳定性评估方法

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弹箭与制导学报 2017年第1期37卷 121-124,128页

作者：蒋胜矩梁益铭中国兵器工业第203研究所西安710065

基于数值虚拟飞行技术,采用动态嵌套网格,耦合求解非定常N-S方程和六自由度刚体运动方程,发展了一种能够考虑非定常气动效应的弹丸稳定性评估方法。通过对典型外挂物投放标模和BRL的M852子弹标模进行数值模拟,验证了数值方法正确、有效... 详细信息

基于数值虚拟飞行技术,采用动态嵌套网格,耦合求解非定常N-S方程和六自由度刚体运动方程,发展了一种能够考虑非定常气动效应的弹丸稳定性评估方法。通过对典型外挂物投放标模和BRL的M852子弹标模进行数值模拟,验证了数值方法正确、有效,可以用于数值虚拟飞行模拟。最后对某质量模拟弹丸进行了虚拟飞行模拟,给出了不同扰动情况下的落点散布和飞行稳定性评估结论。

关键词：数值虚拟飞行稳定性非定常N-S方程动态嵌套网格六自由度运动方程

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低速飞机的数值虚拟飞行技术研究

低速飞机的数值虚拟飞行技术研究

作者：江辉沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

数值虚拟飞行相比试飞试验、基于风洞的虚拟飞行,其优势在于缩短了飞机研发周期和降低了飞机研发成本和试飞安全隐患。本文研究了低速飞机的数值虚拟飞行技术,主要研究内容如下:首先,采用有限体积法对流场控制方程进行空间离散,二阶向... 详细信息

数值虚拟飞行相比试飞试验、基于风洞的虚拟飞行,其优势在于缩短了飞机研发周期和降低了飞机研发成本和试飞安全隐患。本文研究了低速飞机的数值虚拟飞行技术,主要研究内容如下:首先,采用有限体积法对流场控制方程进行空间离散,二阶向后差分离散方法对流场控制方程进行时间离散,并行计算加速数值模拟,并利用RKF45方法对飞机六自由度运动方程进行求解,接着为实现对飞机部件运动的控制,建立了控制求解模块,其中采用了动态重叠网格技术和两种网格更新方法实现了飞机整体重叠网格和飞机部件重叠网格的位置更新,和采用了松耦合方法实现了基于CFD耦合气动/运动/控制等学科的数值虚拟飞行。然后,对NACA0012二维翼型、M6三维翼型进行了定常模拟和NACA0012二维翼型沿前缘俯仰振荡运动进行了非定常模拟验证了低速飞机所在流场的数值计算算法的有效性。对小球自由落体运动和圆柱体旋转运动进行模拟验证了低速飞机运动求解算法的有效性。对圆柱体与长方体组合运动的模拟验证了网格更新算法的有效性。对具有初始速度的弹体在流场中受重力作用向前飞行进行了模拟验证了耦合算法的有效性。最后,对二维机翼受PID控制偏转、对螺旋桨受控旋转、对飞机在空间中运动进行了模拟,模拟结果能够反映受控运动引起了流场时序变化和多学科耦合效应。

关键词：数值虚拟飞行数值模拟六自由度运动控制

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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基于数值虚拟飞行的高机动弹动态逆控制律设计

虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术

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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力学进展 2014年第1期44卷 376-417页

作者：张来平马戎常兴华赵钟赫新中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所四川绵阳621000

随着计算机科学和计算流体力学的发展,以非定常数值模拟为核心,开展气动/运动/控制等多学科耦合的"数值虚拟飞行"模拟成为可能.数值虚拟飞行有助于飞行器设计师在设计之初和整个设计过程中分析和评估飞行器的非线性飞行力学和稳定性与... 详细信息

随着计算机科学和计算流体力学的发展,以非定常数值模拟为核心,开展气动/运动/控制等多学科耦合的"数值虚拟飞行"模拟成为可能.数值虚拟飞行有助于飞行器设计师在设计之初和整个设计过程中分析和评估飞行器的非线性飞行力学和稳定性与控制性能.该文综述了国内外数值虚拟飞行中"气动/运动/控制"耦合的一体化模拟技术的研究进展,分析了其中的关键科学和技术问题,重点介绍了气动/运动/控制耦合一体化计算方法,并介绍了作者在一体化耦合计算方法方面取得的进展及初步应用情况.最后探讨了数值虚拟飞行中的一些挑战性问题,并对未来发展趋势进行了展望.可以预期,随着E级计算的到来,在不久的将来,数值虚拟飞行将给新型飞行器设计带来革命性的变化.

关键词：数值虚拟飞行非定常流动动态网格技术飞行力学机动飞行耦合计算稳定性及控制

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“虚拟飞行”数值模拟技术研究及初步应用

“虚拟飞行”数值模拟技术研究及初步应用

基于计算流体力学的“虚拟飞行”技术及初步应用

第八届全国流体力学学术会议

作者：常兴华马戎赫新张来平中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所

该文在作者课题组以往的动态混合网格技术和非定常计算方法研究的基础上,建立了耦合动态混合网格技术、非定常NS方程、六自由度动力学方程、飞行控制律的一体化数值模拟技术,初步构建了针对"虚拟飞行"问题的数值模拟平台。其中的动态混... 详细信息

该文在作者课题组以往的动态混合网格技术和非定常计算方法研究的基础上,建立了耦合动态混合网格技术、非定常NS方程、六自由度动力学方程、飞行控制律的一体化数值模拟技术,初步构建了针对"虚拟飞行"问题的数值模拟平台。其中的动态混合网格技术综合利用了弹簧松弛法、背景网格映射法、局部网格重构技术,解决了大位移、大变形问题的动态网格生成难题;非定常NS方程、动力学方程、飞行控制律通过"松耦合"的方式进行一体化计算。此外,数值模拟平台的建设采用C+十面向对象的程序设计思想,并实现了各模块之间的灵活调度,为"虚拟飞行"技术的进一步发展打下了良好的基础。

关键词：数值虚拟飞行动态混合网格非定常流动六自由度运动耦合计算方法

来源： cnki会议评论

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力学学报 2015年第4期47卷 596-604页

作者：常兴华马戎张来平赫新中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

以动态混合网格技术为基础,通过耦合求解刚体动力学方程、流体力学控制方程以及飞行控制律,建立了适用于飞行器"虚拟飞行"过程研究的一体化数值模拟技术.通过典型的外挂物投放算例对流体力学控制方程/动力学方程的耦合算法进行了测试,... 详细信息

以动态混合网格技术为基础,通过耦合求解刚体动力学方程、流体力学控制方程以及飞行控制律,建立了适用于飞行器"虚拟飞行"过程研究的一体化数值模拟技术.通过典型的外挂物投放算例对流体力学控制方程/动力学方程的耦合算法进行了测试,并对某导弹的姿态角控制过程、过载控制过程以及变马赫数条件下的控制过程进行了数值模拟,得到了与实验非常一致的结果.这些算例证明该一体化算法已经初步具备了针对复杂飞行器"数值虚拟飞行"的应用能力.

关键词：数值虚拟飞行动态混合网格技术非定常流动耦合算法飞行稳定性和控制

PID控制器与CFD的耦合模拟技术研究及应用

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航空学报 2016年第8期37卷 2507-2516页

作者：陈琦郭勇颜谢昱飞陈坚强袁先旭中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳621000

飞行控制系统(FCS)与计算流体力学(CFD)的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程(RBD)以... 详细信息

飞行控制系统(FCS)与计算流体力学(CFD)的耦合求解是一个崭新的研究领域。传统的飞行控制系统的工程仿真方法依靠气动力模型或气动力数据库得到不同飞行姿态的气动力;而当前方法通过耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程(RBD)以获取飞行器运动过程实时流场和非定常气动力。由于充分反映了气动力的非定常、非线性效应,因而从根本上保证了飞行控制系统仿真的精度。以方形截面导弹俯仰姿态控制为例,首先给出了系统的传递函数,并基于系统在单位阶跃舵偏操纵下的开环响应特性,提出了传递函数的修正方法,进而设计了该外形俯仰姿态控制的PID控制器。数值模拟了不同控制参数时,P控制器、PD控制器和PID控制器的控制效果。针对不同的控制指令,根据建立的控制律,数值模拟了飞行器在PID控制器作用下的实时响应过程,最终成功实现了对飞行器的俯仰姿态控制。研究发现,当飞行器作慢速机动时,工程仿真与CFD数值计算的结果吻合很好,两种方法可以互相验证;但快速机动时,两种方法给出的结果差异明显,基于CFD的耦合模拟方法由于模拟了飞行器运动和舵面偏转导致的非定常流动过程,其结果比基于静态气动力的工程方法的可靠性更高。在大攻角和快速机动等非定常效应较强时,采用CFD方法评估和验证飞行控制系统是很有必要的。

关键词： PID控制器数值虚拟飞行 CFD/RBD/FCS耦合模拟快速机动数值模拟