24用于增加倾转旋翼机气弹稳定性主动控制方法研究报告进展

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1、-第二十八届（2012）全国直升机年会论文用于增加倾转旋翼机气弹稳定性的主动控制方法研究进展付饶董凌华杨卫东（南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016）摘要：气弹稳定性问题一直是制约倾转旋翼机发展的主要因素，从20世纪70年代以来，研究人员尝试了各种方案增加其稳定性，有人提出改变飞行器的设计参数，有的主张通过施加控制来完成。本文主要针对倾转旋翼飞机出现的回转颤振问题，概述了近四十年来研究人员提出的各种主动控制方法提高回转颤振边界速度问题的研究进展。无论这些理论研究和实验探索成功与否，都对倾转旋翼机研究和发展具有非常重要的

2、作用。关键词:倾转旋翼机；主动控制；气弹稳定性0引言在倾转旋翼机的设计过程中，旋翼/短舱/机翼系统的气弹稳定性问题是首要考虑的问题，而气弹稳定性的研究重点是如何提高其在飞机模式下高速前飞时的回转颤振边界速度问题[1]。机翼的扭转刚度是影响回转颤振的主要设计参数之一，目前的倾转旋翼飞行器（XV-15，V-22，BA-609）机翼参数设计时都选择23%的弦长作为机翼厚度，以保证机翼能够提供稳定所需要的充足的扭转刚度，但是这么做是以提高飞行阻力和降低最大飞行速度为代价的。如果选用相对薄一点的机翼，能够保证巡航性能和最大飞行速度，但是由于减少了机翼的扭转刚

3、度，可能引起回转颤振问题[2]。因此，为了有效地解决倾转旋翼机因回转颤振导致的坠毁问题，以及切实提高回转颤振边界速度，人们从上世纪七十年代开始就对这个问题进行了大量的理论分析和实验研究。为了提高稳定性，研究人员分别探讨了主动控制和被动控制两种方式。被动控制具有不使用外部能量，仅使用一些特殊装置以吸收和耗散能量，衰减耦合颤振，不增加飞行器负载等优点，但是被动控制技术对于振动抑制和增加气弹稳定性效果不是很明显[3]；主动控制方式由于在倾转旋翼机附加了控制系统，增加了系统负载，但相对于被动控制，主动控制能够大大的扩大倾转旋翼机的飞行包线，提升飞行性能，而

4、且反馈灵敏，稳定性高。所以主动控制在增加倾转旋翼的稳定性方面潜力更大，本文主要针对近40年来主动控制方案的最新研究成果进行概括性总结。1用于增加倾转旋翼机气弹稳定性的主动控制技术发展概况倾转旋翼机回转颤振现象成为研究热点以来，其急待解决的理论问题以及随着理论研究的深入而不断得以拓展的应用空间,都不断吸引越来越多的人投入该问题的研究。其中，美国NASALangley研究中心在这方面起步较早，研究的也比较深入，欧洲直升机设计公司也有该方面的文章发表，而国内目前对该方面的理论研究还几乎是空白。从20世纪70年代以来，这些研究人员对主动控制方法增加倾转旋翼

5、机气弹稳定性进行了不懈的努力和钻研，通过理论和实践探讨了不同的控制方式、不同的控制对象对增加旋翼飞行器稳定性的实际作用效果。1.1谐波变距控制谐波变距控制（HarmonicPitchControl-HPC）很早就被用于直升机以及倾转旋翼机的减振和降噪[4,5,6]控制上，但是一直没有应用在气弹稳定性控制上。.---1986年12月，NASAAmes中心的Ken-ichiNasu研究了使用谐波变距控制来增加倾转旋翼机的回转颤振边界速度[7]。主动控制通过自动倾斜器（控制旋翼纵向周期变距）输入到系统中，翼尖挠度作为反馈值。文章利用片条理论和特征值分析法

6、确定反馈增益，用局部环流法确定主动控制律。虽然设计者只对影响机翼模态阻尼的控制器增益参数进行了简单的分析研究，对传感器的安装位置和反馈增益的选择并未作特殊要求，也没有对控制系统进行设计优化，但是结果表明了采用主动控制方法对于增加倾转旋翼机的气弹稳定性是有效的[7,8,20]。如图1[7]：图1机翼挠度与谐波控制关系1991年3月，NASAAmes中心的JohannesM.vanAken在Nasu的基础上利用CAMRAD/JA作为分析模型对谐波控制增加倾转旋翼机气弹稳定性进行扩展研究[9]。该模型相对于Nasu建立的模型有了很大改进，他考虑了倾转旋翼

7、飞行器的全展结构、机身刚体模态、万向铰运动、桨叶变距运动以及旋翼速度扰动项对结果的影响。虽然vanAken也是利用一个简单的反馈控制系统（谐波变距控制），但是除了纵向周期变距之外还选取机翼弦向弯曲模态加速度和扭转模态加速度作为附加反馈控制参数，这样使结果更加准确。该文献也没有考虑控制系统的优化问题，但是通过对各个参数的研究确立了一个控制增益集。最后文章以XV-15倾转旋翼机作为研究实例，通过施加控制，使回转颤振边界速度从243节增加到了275节[8,9]，证明选用的谐波控制对增加倾转旋翼机气弹稳定性有效。1.1线性二次型高斯控制线性二次型高斯控制（

8、LinearQuadraticGaussianControl-LQG）是一种多输入多输出（MIMO）的控制算法，比一般的单