含时滞和间隙非线性的二元翼段颤振主动控制问题研究

摘要

信号处理过程产生的时滞和由于加工和装配精度导致的控制面间隙在机翼颤振控制系统中是不可避免的。本文以三自由度二元翼段为研究对象，研究了时滞以及控制面间隙非线性对机翼模型稳定性的影响。主要研究内容如下：
　　首先，搭建了测量超声电机转速的系统，测得了超声电机转速与电压之间的关系；设计了以DSP为核心的PID反馈控制电路控制电机的转速以及转动方向，通过实验验证了所设计控制方法能使电机实现简单正弦信号和复杂信号的跟踪，超声电机控制效果较好。
　　其次，基于Theodorsen非定常气动理论，建立了翼段的气动弹性模型，计算出翼段的颤振速度为15.45m/s；在风速为17.8m/s和22m/s时，分别设计了次最优控制律。数值仿真表明，在风速为17.8m/s时所设计的控制器使颤振速度提高了36％。通过风洞实验验证了次最优控制算法的有效性；在风速为19m/s时实现了不同控制器之间的切换，通过次最优控制器之间的切换，控制系统使翼段的颤振速度提高了84%，有效提高了翼段的颤振速度。
　　然后，分析了控制回路中时滞对系统的影响，分析表明有时滞状态下控制器的控制效果会明显下降，甚至会引起控制系统的失效。为此设计了时滞最优控制器以消除时滞带来的不利影响，数值仿真表明时滞最优控制算法有效的改善了时滞对控制系统带来的不利影响。通过风洞实验验证了时滞最优控制算法的有效性。
　　最后，建立了含控制面间隙非线性的三自由度二元机翼模型，分析了控制面间隙非线性对翼段颤振速度以及对系统控制效果的影响，得出控制面间隙非线性会降低翼段的颤振速度和导致颤振控制系统不稳定。含控制面间隙的控制系统中加入时滞，分析了同时含有时滞和控制面间隙时控制系统的控制情况，得出控制面间隙会降低控制系统所能允许的最大时滞量，控制系统控制效果变差。

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注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 颤振控制研究现状

1.3 时滞问题研究现状

1.4 机翼间隙非线性的研究

1.5 本文的内容安排

第二章 机翼模型控制系统的设计

2.1 引言

2.2 数字信号处理技术

2.3 DSP的开发方法

2.4 超声电机与驱动

2.5 数字编码器

2.6 通过DSP实现对超声电机的控制

2.7 反馈控制器有效性验证

2.8 激光位移传感器

2.9 二维翼段气动弹性模型

2.10 机翼模型参数测量

2.11 翼段颤振控制系统

2.12 DSP系统控制界面

2.13 本章小结

第三章 二元翼段颤振的次最优控制

3.1 引言

3.2 基于Theodorsen气动力的翼段系统数学建模

3.3 求解机翼模型的颤振速度

3.4 翼段颤振的主动控制

3.5 风洞实验中次最优控制器控制效果验证

3.6 本章小结

第四章 含时滞系统的颤振分析与主动控制

4.1 引言

4.2 控制回路中含时滞的翼段系统模型

4.3 时滞系统的 LQ 控制

4.4 时滞最优控制的风洞实验验证

4.5 时滞系统的可控区间分析

4.6 本章小结

第五章 控制面间隙非线性对翼段系统影响分析

5.1 引言

5.2 含控制面间隙非线性的三自由度二元翼段模型

5.3 含控制面间隙的二元翼段数学模型

5.4 含控制面间隙非线性翼段系统仿真分析

5.5 时滞对含控制面间隙非线性系统的影响

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要工作

6.2 工作展望

参考文献

致谢

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