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强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能

丁嘉元 郑宏涛 邵干 唐鹏

丁嘉元, 郑宏涛, 邵干, 唐鹏. 强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能[J]. 气体物理, 2021, 6(6): 29-36. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0919
引用本文: 丁嘉元, 郑宏涛, 邵干, 唐鹏. 强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能[J]. 气体物理, 2021, 6(6): 29-36. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0919
DING Jia-yuan, ZHENG Hong-tao, SHAO Gan, TANG Peng. Lateral-Directional Modal Control Effectiveness for Symmetrical Aircraft with Strong-Coupling Dynamics[J]. PHYSICS OF GASES, 2021, 6(6): 29-36. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0919
Citation: DING Jia-yuan, ZHENG Hong-tao, SHAO Gan, TANG Peng. Lateral-Directional Modal Control Effectiveness for Symmetrical Aircraft with Strong-Coupling Dynamics[J]. PHYSICS OF GASES, 2021, 6(6): 29-36. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0919

强耦合面对称飞行器横航向模态控制效能

doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0919
基金项目: 

国家重大基础研究项目 613722

详细信息
    作者简介:

    丁嘉元(1994-)男, 工程师, 主要研究方向为飞行力学与控制.E-mail: dingjiayuan_china@163.com

  • 中图分类号: V249.1

Lateral-Directional Modal Control Effectiveness for Symmetrical Aircraft with Strong-Coupling Dynamics

  • 摘要: 面对称飞行器具有强耦合、弱阻尼的特点,为实现其横航向模态的高效控制,对控制策略效能及高效控制策略选择判据进行了研究.通过建立稳定轴系下横航向耦合动力学模型,得到了模态特征简化表达式;分析了有效的模态控制策略,并推导了各控制策略的效能公式;通过对各控制策略效能的对比分析得到了耦合特征下的高效模态控制策略选择判据;最后通过根轨迹分析、模态特性评估与6自由度仿真进行验证,结果表明理论公式与分析仿真结果一致.高效模态控制策略选择判据能够准确表征不同控制策略的效能关系,可用于指导强耦合面对称飞行器横航向模态控制方案设计.

     

  • 图  1  各反馈控制策略下横航向根轨迹结果

    Figure  1.  Lateral-directional root locus of each feedback control strategy

    图  2  状态1两种模态控制策略仿真结果对比

    Figure  2.  Comparison of the simulation results from two modal control strategies at state 1

    图  3  状态2两种模态控制策略仿真结果对比

    Figure  3.  Comparison of the simulation results from two modal control strategies at state 2

    表  1  荷兰滚模态频率控制策略效能公式

    Table  1.   Expressions of control effectiveness of Dutch roll mode frequency

    control strategy expression of control effectiveness
    β feedback to δa $ \Delta \omega _{\rm{d}}^2 = k_{\beta^{{\rm{a}}}} ^\delta {{\bar N}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{a}}}}}$
    β feedback to δr $ \Delta \omega _{\rm{d}}^2 = k_{\beta^{{\rm{r}}}} ^\delta {{\bar N}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{r}}}}}$
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    表  2  荷兰滚模态阻尼控制策略效能公式

    Table  2.   Expressions of control effectiveness of Dutch roll mode damping

    control strategy expression of control effectiveness
    rs feedback to δa $\Delta \left( {2{\xi _{\rm{d}}}{\omega _{\rm{d}}}} \right) = - k_{{r_{\rm{s}}}}^{{\delta _{\rm{a}}}}{{\bar N}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{a}}}}} $
    rs feedback to δr $ \Delta \left( {2{\xi _{\rm{d}}}{\omega _{\rm{d}}}} \right) = - k_{{r_{\rm{s}}}}^{{\delta _{\rm{r}}}}{{\bar N}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{r}}}}}$
    ps feedback to δa $ \Delta \left( {2{\xi _{\rm{d}}}{\omega _{\rm{d}}}} \right) = - k_{{p_{\rm{s}}}}^{{\delta _{\rm{a}}}}\frac{{{{\bar L}_{{\rm{s}}, \beta }}}}{{{{\bar N}_{{\rm{s}}, \beta }}}}{{\bar N}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{a}}}}}$
    ps feedback to δr $\Delta \left( {2{\xi _{\rm{d}}}{\omega _{\rm{d}}}} \right) = - k_{{p_{\rm{s}}}}^{{\delta _{\rm{r}}}}\frac{{{{\bar L}_{{\rm{s}}, \beta }}}}{{{{\bar N}_{{\rm{s}}, \beta }}}}{{\bar N}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{r}}}}} $
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    表  3  滚转-螺旋模态阻尼控制策略效能公式

    Table  3.   Expressions of control effectiveness of roll-spiral mode damping

    control strategy expression of control effectiveness
    ps feedback to δa $ \Delta \left( {2{\xi _{\rm{r}}}{\omega _{\rm{r}}}} \right) = - k_{{p_{\rm{s}}}}^{{\delta _{\rm{a}}}}\frac{{{{\bar L}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{a}}}}}}}{{{{\bar N}_{{\rm{s}}, \beta }}}}{\overline {{\mathop{\rm LCDP}\nolimits} } _{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{a}}}}}$
    ps feedback to δr $ \Delta \left( {2{\xi _{\rm{r}}}{\omega _{\rm{r}}}} \right) = - k_{{p_{\rm{s}}}}^{{\delta _{\rm{r}}}}\frac{{{{\bar L}_{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{r}}}}}}}{{{N_{{\rm{s}}, \beta }}}}{{\mathop{\rm LCDP}\nolimits} _{{\rm{s}}, {\delta _{\rm{r}}}}}$
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    表  4  侧滑角反馈对荷兰滚模态的影响

    Table  4.   Effect of sideslip angle feedback on Dutch roll mode

    feedback control law dutch roll mode pole frequency ωd/(rad/s) damping ratio ξd
    0 -0.02±0.51i 0.51 4.72×10-2
    δa=3β -0.02±0.78i 0.78 3.04×10-2
    δr=-3β -0.02±0.81i 0.81 2.57×10-2
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    表  5  ps反馈对横航向模态的影响

    Table  5.   Effect of ps feedback on lateral-directional mode

    feedback control law dutch roll mode pole roll-spiral mode pole damping ωrξr
    0 -0.02±0.51i -0.03±0.01i 0.03
    δa=-ps 0.56±0.26i -0.13-5.53×10-3 0.06
    δr=ps 0.38±0.67i -0.45-9.94×10-4 0.23
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  • 收稿日期:  2021-02-03
  • 修回日期:  2021-05-10

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