基于狀態(tài)空間法的快速俯仰運(yùn)動(dòng)建模研究

《基于狀態(tài)空間法的快速俯仰運(yùn)動(dòng)建模研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、第40卷第3期2010年5月航空計(jì)算技術(shù)AeronauticalComputingTechniqueV01．40No．3Mav．2010基于狀態(tài)空間法的快速俯仰運(yùn)動(dòng)建模研究陳星，高正紅(西北工業(yè)大學(xué)翼型葉柵空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家級(jí)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072)摘要：通過(guò)對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣動(dòng)力特性進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，說(shuō)明了過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力建模思路；采用狀態(tài)空間法建立了快速俯仰運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力模型，并對(duì)模型的輸出方程進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化；驗(yàn)證結(jié)果表明，氣動(dòng)力模型具有較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。關(guān)鍵詞：過(guò)失速機(jī)動(dòng)；快速俯仰運(yùn)動(dòng)；狀態(tài)空間法；氣動(dòng)力模型中圖分類號(hào)：V211文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、：A文章編號(hào)：1671-654X(2010)03—0025—04引言具有在任意迎角下的高機(jī)動(dòng)性是現(xiàn)代戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一?。而具有過(guò)失速機(jī)動(dòng)能力也是第四代戰(zhàn)斗機(jī)的重要指標(biāo)之一。建立氣動(dòng)力模型可以快速獲得飛機(jī)任意飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)力系數(shù)值，成為過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行控制和仿真的基礎(chǔ)。由于飛機(jī)在過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)程中，飛機(jī)的姿態(tài)和速度大幅度快速變化，飛行迎角遠(yuǎn)大于失速迎角，繞飛機(jī)的氣流流動(dòng)存在漩渦破裂和分離等復(fù)雜情況，導(dǎo)致氣動(dòng)力呈現(xiàn)出明顯的非線性和非定常特性，傳統(tǒng)的飛行動(dòng)力學(xué)方法已不再適用，需要建立過(guò)失速非定常氣動(dòng)力模型，以滿足過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行動(dòng)力學(xué)特性分析的需求。目前

3、，主要的過(guò)失速非定常氣動(dòng)力建模方法有階躍響應(yīng)法怛J、狀態(tài)空間法[3]、微分方程法H1等傳統(tǒng)建模方法，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[5]、模糊邏輯法∞1等現(xiàn)代建模方法。本文在對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)和氣動(dòng)力分析的基礎(chǔ)上，說(shuō)明了過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力建模思路；采用狀態(tài)空間法建立快速俯仰運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力模型，對(duì)模型的輸出方程進(jìn)行了分析和簡(jiǎn)化；最后采用縱向快速俯仰運(yùn)動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)和模型驗(yàn)證。1過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力建模思路飛機(jī)進(jìn)行過(guò)失速機(jī)動(dòng)時(shí)，傳統(tǒng)的準(zhǔn)定常模型不能夠真實(shí)地反映氣動(dòng)力和力矩的非定常特性，需要針對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)飛行過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性，建立能夠反映其運(yùn)動(dòng)特性和規(guī)律的氣動(dòng)力模型

4、。1．1過(guò)失速機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析現(xiàn)代空戰(zhàn)的方式特點(diǎn)決定了飛機(jī)進(jìn)行過(guò)失速機(jī)動(dòng)的目的是通過(guò)快速大幅度姿態(tài)變化從而迅速改變飛機(jī)機(jī)頭指向或飛機(jī)的空間方位。通過(guò)對(duì)典型過(guò)失速機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，可以將過(guò)失速機(jī)動(dòng)總結(jié)為三種基本動(dòng)作的組合：定直飛行運(yùn)動(dòng)、快速俯仰運(yùn)動(dòng)、繞速度矢量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。7J。飛機(jī)在完成這三種基本動(dòng)作的過(guò)程中，能夠表現(xiàn)出過(guò)失速機(jī)動(dòng)過(guò)程的氣動(dòng)力特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析。1．2過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力特性分析將過(guò)失速機(jī)動(dòng)分解為三個(gè)基本動(dòng)作的組合"J，相應(yīng)地可以將氣動(dòng)力表達(dá)為對(duì)應(yīng)三個(gè)部分的組合：A=A，。如+△A。。打一。黼+△A。。嘶一。

5、(1)式中，A。i為靜態(tài)氣動(dòng)力；△A為過(guò)失速俯仰和過(guò)失速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加氣動(dòng)力。而過(guò)失速俯仰氣動(dòng)力和過(guò)失速旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)力可以分別表示為：A。Ⅻ由一pitch=A“缸+ZXA。Ⅻ由一P蹦(2)A。。∞由一。婦=Am缸+△A。‰卉一m(3)因此，過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力建模思路是：通過(guò)對(duì)式(2)、(3)中的俯仰氣動(dòng)力A。神一，枷和旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)力A。。幽一～進(jìn)行分析和建模研究，得到兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加氣動(dòng)力A。。曲一，附和A。神一。。，而后通過(guò)(1)式組合得到總的過(guò)失速機(jī)動(dòng)氣動(dòng)力模型。下面，將針對(duì)采用狀態(tài)空間法建立的快速俯仰運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力模型進(jìn)行理論分析。收稿日期：2009—1

6、2．04修訂日期：20LO-03—19作者簡(jiǎn)介：陳星(1986一)，男，江蘇東臺(tái)人，博士研究生，研究方向?yàn)轱w行動(dòng)力學(xué)。·26·航空計(jì)算技術(shù)第40卷第3期2快速俯仰運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力建模狀態(tài)空間模型是目前廣泛使用的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的描述方法之一【8】。它通過(guò)引進(jìn)系統(tǒng)的一組狀態(tài)變量間接地描述系統(tǒng)。非線性狀態(tài)空間的一般形式為：五=F(x，u，c)(4)Y=G(菇，u，c)(5)式中，髫為狀態(tài)變量，u為運(yùn)動(dòng)變量，C為控制變量。(4)式稱為狀態(tài)方程，它描述了系統(tǒng)的各狀態(tài)變量雖時(shí)間的變化規(guī)律。(5)式稱為輸出方程，是狀態(tài)變量和輸入變量的函數(shù)。建模的主要工作是：確定狀態(tài)變量并

7、求解狀態(tài)變量；利用狀態(tài)變量求解輸出。2．1模型的狀態(tài)方程要建立描述快速俯仰運(yùn)動(dòng)氣動(dòng)力特性的狀態(tài)空間模型，首先要確定影響氣動(dòng)力特性的根本因素。文獻(xiàn)[3]在分析了二維翼型和三角翼進(jìn)行大迎角快速俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，影響氣動(dòng)力特性的主要因素的基礎(chǔ)上，提出用下面一階常微分方程來(lái)描述繞二維翼型和三角翼的流場(chǎng)特性：下。誓+i=戈。(a-l"=a)(6)其中，狀態(tài)變量五分別表示繞二維翼型的氣流分離點(diǎn)位置和繞三角翼的漩渦破裂位置，r。表示非定常分離流形成過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，戈。(a)描述了相對(duì)定常流動(dòng)狀態(tài)下分離點(diǎn)或漩渦破裂位置坐標(biāo)對(duì)迎角的依賴關(guān)系，r：表示分離滯后的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于全

8、機(jī)構(gòu)型進(jìn)行大迎角快速俯仰運(yùn)動(dòng)，由于流動(dòng)的復(fù)雜性，很難找出具體的物理量來(lái)反映流場(chǎng)特性，但仍可以用