基于状态空间法的快速俯仰运动建模研究

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1、第40卷第3期2010年5月航空计算技术AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．3Mav．2010基于状态空间法的快速俯仰运动建模研究陈星，高正红(西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家级科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：通过对过失速机动运动规律和气动力特性进行简要分析，说明了过失速机动气动力建模思路；采用状态空间法建立了快速俯仰运动气动力模型，并对模型的输出方程进行了分析和简化；验证结果表明，气动力模型具有较好的预测结果。关键词：过失速机动；快速俯仰运动；状态空间法；气动力模型中图分类号：V211文献标识码

2、：A文章编号：1671-654X(2010)03—0025—04引言具有在任意迎角下的高机动性是现代战斗机设计的主要目标之一⋯。而具有过失速机动能力也是第四代战斗机的重要指标之一。建立气动力模型可以快速获得飞机任意飞行状态下的气动力系数值，成为过失速机动飞行控制和仿真的基础。由于飞机在过失速机动过程中，飞机的姿态和速度大幅度快速变化，飞行迎角远大于失速迎角，绕飞机的气流流动存在漩涡破裂和分离等复杂情况，导致气动力呈现出明显的非线性和非定常特性，传统的飞行动力学方法已不再适用，需要建立过失速非定常气动力模型，以满足过失速机动飞行动力学特性分析的需求。目前

3、，主要的过失速非定常气动力建模方法有阶跃响应法怛J、状态空间法[3]、微分方程法H1等传统建模方法，以及神经网络法[5]、模糊逻辑法∞1等现代建模方法。本文在对过失速机动运动和气动力分析的基础上，说明了过失速机动气动力建模思路；采用状态空间法建立快速俯仰运动气动力模型，对模型的输出方程进行了分析和简化；最后采用纵向快速俯仰运动风洞试验数据作为样本进行了参数辨识和模型验证。1过失速机动气动力建模思路飞机进行过失速机动时，传统的准定常模型不能够真实地反映气动力和力矩的非定常特性，需要针对过失速机动飞行过程的运动特性，建立能够反映其运动特性和规律的气动力模型

4、。1．1过失速机动运动规律分析现代空战的方式特点决定了飞机进行过失速机动的目的是通过快速大幅度姿态变化从而迅速改变飞机机头指向或飞机的空间方位。通过对典型过失速机动运动过程的分析，可以将过失速机动总结为三种基本动作的组合：定直飞行运动、快速俯仰运动、绕速度矢量旋转运动。7J。飞机在完成这三种基本动作的过程中，能够表现出过失速机动过程的气动力特点，在此基础上，可以对过失速机动气动力特性进行分析。1．2过失速机动气动力特性分析将过失速机动分解为三个基本动作的组合"J，相应地可以将气动力表达为对应三个部分的组合：A=A，。如+△A。。打一。黼+△A。。嘶一。

5、(1)式中，A。i为静态气动力；△A为过失速俯仰和过失速旋转运动产生的附加气动力。而过失速俯仰气动力和过失速旋转气动力可以分别表示为：A。Ⅻ由一pitch=A“缸+ZXA。Ⅻ由一P蹦(2)A。。∞由一。妇=Am缸+△A。‰卉一m(3)因此，过失速机动气动力建模思路是：通过对式(2)、(3)中的俯仰气动力A。神一，枷和旋转气动力A。。幽一～进行分析和建模研究，得到两种运动产生的附加气动力A。。曲一，附和A。神一。。，而后通过(1)式组合得到总的过失速机动气动力模型。下面，将针对采用状态空间法建立的快速俯仰运动气动力模型进行理论分析。收稿日期：2009—1

6、2．04修订日期：20LO-03—19作者简介：陈星(1986一)，男，江苏东台人，博士研究生，研究方向为飞行动力学。·26·航空计算技术第40卷第3期2快速俯仰运动气动力建模状态空间模型是目前广泛使用的非线性动态系统的描述方法之一【8】。它通过引进系统的一组状态变量间接地描述系统。非线性状态空间的一般形式为：五=F(x，u，c)(4)Y=G(菇，u，c)(5)式中，髫为状态变量，u为运动变量，C为控制变量。(4)式称为状态方程，它描述了系统的各状态变量虽时间的变化规律。(5)式称为输出方程，是状态变量和输入变量的函数。建模的主要工作是：确定状态变量并

7、求解状态变量；利用状态变量求解输出。2．1模型的状态方程要建立描述快速俯仰运动气动力特性的状态空间模型，首先要确定影响气动力特性的根本因素。文献[3]在分析了二维翼型和三角翼进行大迎角快速俯仰运动时，影响气动力特性的主要因素的基础上，提出用下面一阶常微分方程来描述绕二维翼型和三角翼的流场特性：下。誓+i=戈。(a-l"=a)(6)其中，状态变量五分别表示绕二维翼型的气流分离点位置和绕三角翼的漩涡破裂位置，r。表示非定常分离流形成过程的时间常数，戈。(a)描述了相对定常流动状态下分离点或漩涡破裂位置坐标对迎角的依赖关系，r：表示分离滞后的时间常数。对于全

8、机构型进行大迎角快速俯仰运动，由于流动的复杂性，很难找出具体的物理量来反映流场特性，但仍可以用