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风洞虚拟飞行试验中的飞行力学与控制问题研究

作　者: 吕光男
导　师: 沈宏良
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 流体力学
关键词: 敏捷性风洞虚拟飞行试验相似准则闭环控制非线性系统非线性动态逆
分类号: V212
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

过失速机动能力是四代机等先进战斗机的重要技术特征之一,在飞机设计中,过失速机动伴随的非定常气动特性和运动耦合特性对风洞试验、飞行控制和机动特性评估等技术提出了新的要求。针对四代机等先进战斗机过失速机动时气动和运动高度非线性耦合的特点,本文对一种新的风洞试验技术——基于风洞的虚拟飞行试验(WTBVFT)技术进行探索性研究,重点研究了风洞虚拟飞行试验需要解决的飞行动力学和控制问题。首先,介绍了风洞虚拟飞行试验的基本概念和工作原理,分析了风洞虚拟飞行试验在过失速机动气动/运动耦合特性研究中的作用,明确了反映过失速机动能力的过失速敏捷性评估指标的机理和要求。其次,运用量纲理论,给出了评估过失速敏捷性指标的风洞虚拟飞行试验一般相似准则,重点研究了风洞虚拟飞行试验平动自由度受限、转动自由度释放这一特点产生的相似性问题,通过对闭环迎角跟踪控制模型的操纵响应仿真分析,得出了带迎角跟踪的闭环控制响应接近真实飞行的结论。最后对风洞虚拟飞行试验中模型运动控制律设计的非线性动态逆方法进行了研究,同时也提出了有待解决的问题。研究结果对四代机等先进战斗机的风洞试验技术发展具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-14
  1.1 研究背景及现状  11-13
  1.2 本文的主要工作  13-14
第二章风洞虚拟飞行试验技术  14-19
  2.1 虚拟飞行试验技术的概况  14-16
    2.1.1 国外虚拟飞行试验发展概况  14-15
    2.1.2 风洞虚拟飞行试验系统组成  15-16
  2.2 风洞虚拟飞行试验中的支撑机构  16-17
    2.2.1 支撑方式的选择  16-17
    2.2.2 WTBVFT 与自由飞试验及数值模拟的区别  17
  2.3 风洞虚拟飞行试验的优势及其发展前景  17-19
第三章风洞虚拟飞行试验的一般相似准则与需求分析  19-37
  3.1 量纲分析法  19-21
    3.1.1 乘积的量纲  19-21
    3.1.2 量纲分析的步骤  21
  3.2 真实战机与缩比模型间的相似关系  21-25
  3.3 过失速敏捷性  25-36
    3.3.1 过失速俯仰敏捷性  26-32
    3.3.2 过失速俯滚转捷性  32-36
  3.4 初步需求分析  36-37
第四章闭环迎角跟踪控制系统模型的建立  37-53
  4.1 飞机本体数学模型  37-40
    4.1.1 飞机刚体运动学方程  37-39
    4.1.2 飞机线性小扰动线化方程组  39-40
  4.2 风洞试验中限制模型平动自由度的影响  40-42
  4.3 PID 控制系统原理  42-43
  4.4 飞机控制系统建模  43-44
  4.5 闭环迎角跟踪控制系统仿真  44-53
    4.5.1 原机F16 迎角跟踪  44-46
    4.5.2 未限制平动的缩比模型迎角跟踪控制  46-47
    4.5.3 限制平动的缩比模型迎角跟踪控制  47-49
    4.5.4 F16 与风洞中限制平动的缩比模型比较  49-50
    4.5.5 F16 与缩比模型在不限制平动情况下的参数对比  50-53
第五章非线性动态逆控制下的迎角跟踪仿真  53-66
  5.1 非线性控制的动态逆方法  53-54
  5.2 飞机状态变量的时标分离  54-55
  5.3 快回路非线性动态逆控制律设计  55-60
    5.3.1 控制律设计  55-57
    5.3.2 控制分配器  57-60
  5.4 慢回路非线性动态逆控制律设计  60-64
    5.4.1 控制律设计  60-62
    5.4.2 指令参考模型  62-64
  5.5 非线性仿真算例  64-65
  5.6 小结  65-66
第六章总结与展望  66-67
  6.1 总结  66
  6.2 展望  66-67
参考文献  67-69
致谢  69-70
攻读硕士学位期间发表的主要论文  70

风洞虚拟飞行试验中的飞行力学与控制问题研究

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