非线性气动弹性系统反演自适应控制.pdf

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1、2015年6月第4l卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2015V01．4lNo．6http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．CBDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0423非线性气动弹性系统反演自适应控制刘送丹，李道春，向锦武+(北京航空航天大学航空科学与工程学院。北京100191)摘要：针对双自由度二元机翼，利用准定常气动力建立了非线性气动弹性

2、方程，并以状态空间形式描述．双控制面非线性气动弹性系统中前后缘控制量相互耦合，不能直接应用反演自适应控制方法，为了解决这一问题，新定义了两个等效控制器．考虑俯仰方向立方非线性参数未知，根据Lyapunov稳定性理论设计了反演自适应控制律．通过Runge—Kutta数值方法对气动弹性方程进行求解，验证了控制律的有效性．仿真结果表明：所设计的控制器能够使开环不稳定的气动弹性系统稳定至零点，双控制面的作用提高了颤振临界速度．考虑到实际控制面的偏转限制，研究了单控制面失效问题，结果显示单后缘控制面比单前缘控制面对系统控制更有

3、效．关键词：二元机翼；非线性气动弹性；颤振；Lyapunov稳定性理论；反演自适应控制中图分类号：V215．3文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)06．1128-07在一定的飞行条件下，非线性气动弹性系统会出现极限环振荡、混沌等不稳定现象⋯，这些不稳定现象对飞行器的结构安全构成了很大威胁．文献[2]对气动弹性颤振分析与控制方法进行了很好的总结．目前对非线性颤振主动控制问题的研究主要针对于多项式非线性’3“．文献[6—7]研究了迟滞非线性因素对二元机翼颤振特性的影响以及系统参数对颤振特性的影响．和多项

4、式刚度非线性相比，迟滞非线性不仅含有非线性刚度，还含有非线性阻尼．当非线性气动弹性系统参数确定时，可以使用反馈线性化旧1等方法处理气动弹性颤振主动控制中的非线性问题．然而，由于气动弹性系统中非线性因素的随机性，导致非线性参数无法确定，因此就要用到自适应控制方法‘川．反演自适应控制，也被称为反推自适应控制，是当前自适应控制领域中应用较多的理论之一．该方法很适合航空器与航天器的控制，尤其是转换控制一。0

5、，文献[11]对反演自适应控制的发展及应用进行了详细总结．根据文献[12]，反演自适应控制可以分为单控制器和双控制器的

6、设计，其中单控制器的设计首先要引入特有形式的变量、虚拟控制函数，最终的控制器通过这一系列的虚拟控制函数以递推方式得到．但该方法需要先引入新的变量，从而得到严格满足特定形式的等效被控系统，且计算过程很繁琐．双控制器的反演自适应设计，不需引入特定形式的新变量，直接对控制系统施加控制器．双控制器的设计原理同单控制器的设计．文献[13]针对飞机提出了以飞行动力学描述的反演控制，它是对攻角、侧滑角和速度矢量滚转率的多变量控制器．该控制器能使大多数的初始值收敛到期望值．文献[14]针对高超收稿日期：2014-07—17；录用日期

7、：2014—10-17；网络出版时间：2014—12．1715：38网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／11．2625．V．20141217．1538．010．html基金项目：国家自然科学基金(91216102，11402014)；中央高校基本科研业务费专项资金(YwF．14．FIKXY-026)作者简介：刘送丹(1991一)，女，湖南常德人，硕士研究生，lsdmm2012@163．eom*通讯作者：向锦武(1964一)，男，湖南平江人，教授，xiangjw@buaa．edu．cn，主要研

8、究方向为飞机总体设计、结构设计技术．引用格式：刘送丹，李道春，向锦武非线性气动弹性系统反演自适应控制ⅣJ．北京航空航天大学学援，2015，41(6)：1128一1134．LiuSD，LiDC．XiangJW．AdaptivebacksteppingcontrolofanonlinearaeroelastiesystemLjj．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(6)：1128一I134(inChineseJ．第6期刘送丹，等：非

9、线性气动弹性系统反演自适应控制1129声速飞行器的非线性特点，提出了动态神经网络调节函数反演自适应控制方法，设计了速度和高度控制器．文献[15]通过反演自适应控制方法设计的控制器解决了参数未知情况下的超机动飞行控制问题．文献[16]利用前／后缘双控制面，采用反演方法进行高阶滑模控制，消除了极限环振荡现象，实现了系统稳定．相比平常的控制方法，保留