非定常气动力非线性微分方程建模方法.pdf

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1、航空学报ActaAerOnaInicaetAstralauticaSini∞Ja叭．252011VcIL32№．183．90lSSN1000．6893CN11．1929／V眦p：∥H‘)‘b．buaaemcnH‘xb@bI旧aem∞文章编号：1000-6893(2011)O卜0083一08非定常气动力非线性微分方程建模方法龚正，沈宏良*南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘耍：为准确描述过失速机动中非定常气动力特性，研究了以非线性微分方程为基本结构的非定常气动建模方法。基于动力学系统建模思想。分析揭示该模型的物理

2、机理，并发展和改进了基于风洞强迫振荡试验的模型参数辨识方法：基于小振幅试验数据，采用线性回归参数辨识方法辨识确定气动模型中特征时间常数等线性参数：基于大振幅试验数据，采用遗传算法全局寻优辨识气动模型中非线性项参数。以带中心体i角翼模型为例进行气动建模与验证．研究结果表明：模型可精确预测不同机动F非定常气动特性；建模方法具有较强的工程可行性。关键词：非定常气动力；建模；风洞试验；参数辨识；遗传算法中图分类号：V211．1+5；V212．1文献标识码：A大迎角非定常气动建模问题是第4代战斗机等具有过失速机动能力的先进高机动飞行器设

3、计中面临的最具挑战性的问题之一。建立工程实用的非定常气动模型，是开展过失速机动、尾旋进入／改出等领域飞行动力学分析、飞行仿真、控制律设计以及验证研究的基础。前期研究表明[1。2]，引起大迎角非线性、非定常气动现象的主要原因在于机翼上表面流动分离，流场拓扑结构(如气流分离点、前体涡等涡系结构)随运动参数变化而调整，其过程本身具有动力学特性。在中等迎角范围内，随着运动参数变化，流场拓扑结构的调整时间远大于流动特征时间e／(2V)，导致气流分离产生的附加气动载荷相对运动参数变化存在明显的迟滞，由此产生显著的非定常气动现象。相对于计算

4、流体力学(CFD)方法[3]，基于风洞试验建立非定常气动模型依然是目前非定常气动建模研究的主要方法L4j。在前期研究中，提出的线性响应函数方法Ls】、涡序列方法[61以及线性状态空间方法[7]等一系列方法，在小振幅运动的非定常气动建模中取得了一定的成果。针对大振幅试验出现的气动载荷同时还依赖于强迫振荡幅值的现象，目前建模方法主要分为两类：一类是继续发展前期方法，提出非线性响应函数方法[83及其简化方法(如傅里叶函数分析方法[9])、非线性状态空间方法Ll¨¨等；另一类思路是使用神经网络或模糊逻辑等智能控制方法直接进行非线性代数

5、拟合建模012‘13】。然而，以上建模方法均存在一定不足。其中，响应函数方法、涡序列方法与飞行动力学方程联立成为“微分一积分”方程组，难以进行飞行动力学分析。以流场内部流动参数为状态变量的常规非线性状态窄间方法，在内部状态变量扩展到两个以上之后，状态变量的分离与辨识存在一定困难；而基于大振幅振荡测力试验结果的非线性状态空间方法，对小幅值运动非定常气动力的预测与实际存在较大差距。神经网络与模糊逻辑代数拟合收稿日期：2010．03．30；退修日期：2010．05．28；录用日期：2010—09—08；网络出版时问：2们0-”·11

6、09：09网络出版地址：www．cn¨net／kcms／detail／111929．V．201011”．0909．004．htmID0l：CNKI：1f．1929／V．20101111．0909．004基金项目：航空科学基金(2009ZA52015)；国家“973”计划(61389)*通讯作者，TeJ．j025·84892606E椭mshBn@几u柏，e由，∞葶l用格武l龚正．泷宏良i菲定常气动力菲线性微分方程建模方法￡JI．航空学报．2011．32t1)：83．90．G。ngz}嘲。Shen恻i狮g．Lhst锫dy∞ro勘硼

7、icm。由I哟吣拍oa峙哟nanIi懈嘲*en酿ial删lc惜￡山．埘a舡∞∞删髓elA钳∞锄航冶SIn油．2011．32t1)：83—90．航空学报模型，一般需要将机动过程拟合为等幅振荡运动，提取减缩频率作为输入参数，物理意义不明确，且存在输入状态量无法外插等问题。本文基于Goman等提出的动力学系统建模思想口J引，研究并发展了非线性微分方程建模及辨识方法。建立可同时准确预测小振幅和大振幅不同频率运动的非线性非定常气动模型。该方法建立的气动模型形式简单，并在小迎角下自动退化为动导数模型，与常规气动模型无缝融合，可便捷应用于大

8、后掠小展弦比高机动战斗机大迎角飞行动力学分析、飞行仿真等研究。1非定常气动模型及其机理分析在大迎角小振幅强迫振荡风洞试验中，非定常特性主要表现为气动载荷变化时间历程与振荡频率密切相关。不同动态风洞试验均表明，对于后掠构型飞机模型，在迎角为20。～50。范围内，试验获得的动导数