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《非定常气动力状态空间模型及其在气动伺服弹性建模中的应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第5卷第5期空军工程大学学报(自然科学版)Vol.5No.52004年10月JOURNALOFAIRFORCEENGINEERINGUNIVERSITY(NATURALSCIENCEEDITION)Oct.2004X非定常气动力状态空间模型及其在气动伺服弹性建模中的应用陈刚,徐敏,陈士橹(西北工业大学航天学院,陕西西安710072)摘要:研究了一种基于CFD/CSD耦合计算的气动伺服弹性系统建模的一般方法。该方法将气动伺服弹性系统看作气动、结构、控制三个相互耦合的环节,分别建立各个环节状态方程再组装成完整的气动伺服
2、弹性系统模型。着重讨论了非定常气动力状态空间模型建立的系统辨识方法,并对非定常气动力脉冲响应计算进行了深入的探讨。通过将CFD/CSD耦合直接计算与状态方程计算的结果进行对比,表明该方法得到的模型精度好、效率高、易于使用、可扩展性好。关键词:CFD/CSD;非定常气动力;系统辨识;ERA算法;气动伺服弹性中图分类号:V24文献标识码:A文章编号:1009-3516(2004)05-0001-04研究气动伺服弹性系统时,首先要解决的问题就是建立便于主动控制系统设计的低阶模型。在模型建立过程中,最关键的技术是结构做任意
3、运动时非定常气动力的确定。传统的方法是在频域内计算多个缩减频率下的调和非定常气动力,然后用有理函数对这些结果进行拟合,最后变换到时域,再建立状态空间模型。该方法比较成熟,对于线性非定常气动力作用下的气动伺服弹性系统可以得到较好的结果,并且可以方便地运用于结构/控制优化设计中。不足之处在于直接用于跨音速等非线性状态效果不好,在高超声速情况下,也未见有比较满意结果的文献报道。随着CFD技术的发展,开始直接求解NS方程来确定非定常气动力,进[1]一步发展为采用CFD/CSD耦合计算直接模拟气动弹性系统的响应来预测非定常气
4、动力。该技术可以直接在时域预测飞行器任意运动下的线性、非线性非定常气动力,避免了有理函数逼近所需的频域到时域的变换和不能很好描述非线性响应的不足。但是,直接利用CFD/CSD技术在时域进行系统分析与综合也产生了一些问题。主要是CFD/CSD预测任意运动的非定常气动力时间耗费太大。特别是对于需要反复迭代修改的多学科优化初步设计阶段,其计算量更为巨大,很不便于应用。为了解决这个问题,国外从20世纪90年代中后期开始研究基于CFD/CSD技术的非定常气动力低阶模型,即找到一种简单的数学模型,即可以较好的反映原系统的主要动
5、力学特性,计算量不太大,又便于系统设计应用。1Volterra级数理论[2～3]研究气动弹性系统时,NS方程描述的非定常气动力系统可用二阶Volterra系统近似,即nnny[n]=h0+∑h1[n-k]u[k]+∑∑h2[n-k1,n-k2]u[k1]u[k2](1)k=0k=0k=012式中:h0为定常状态的响应(对于非定常响应研究可以假定为零);h1、h2为Volterra一阶核、二阶核,分别表示一维和二维脉冲作用下系统的响应。其求解公式为X收稿日期:2004-03-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(1
6、0272090)作者简介:陈刚(1979-)男,湖北公安人,博士生,主要从事飞行器飞行动力学与控制研究;徐敏(1956-)女,江苏连云港人,教授,主要从事飞行器飞行动力学与控制,空气动力学研究;陈士橹(1920-)男,浙江东阳人,教授,博士生导师,工程院院士,主要从事飞行器飞行动力学与控制研究12空军工程大学学报(自然科学版)2004年(y1[n]-y0[n-k1]y0[n-k2])y2[n]h2[n-k1,n-k2]=(2)h1[n]=2y0[n]-或h1[n]=y0[n](3)22式中:y0,y1,y2分别表示
7、一维、二维脉冲、两倍单脉冲作用下系统的响应。h1[n]是时间n的一维函数,二阶核是时间n和时移k1-k2的二维函数序列,二阶核的不同分量需要作用于不同时移k1、k2的双脉冲响应通过式(2)求出。一旦Volterra核求出,任意输入u(n)下的输出y[n]就可以通过式(1)求得。2CFD/CSD耦合计算从上面的讨论可以看出,为了预测某一马赫数下任意运动时的非定常气动力,只需计算出各阶Volterra核即可。对于结构做小变形运动情况下的非定常气动力系统,通常只需要利用Volterra一阶核就可以很准确[2～3]地描述,
8、而且可以反映一定的非线性非定常气动力。如果是结构做大变形等非线性非常严重的情况下,可以考虑加上二阶核的影响。在求解非定常流场的时候,先计算出定常流场状态,然后以此为初始条件计算非定常流场,认为非定常流是对定常流的一种扰动,即通常所说的非线性非定常气动力的动力学线化方法。本文采用CFD/CSD耦合[1]方法利用离散单位脉冲信号来求解Volerra核。脉冲信号通
