基于能量模糊的风洞支杆模型振动控制研究

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风洞试验是飞行器设计过程中验证设计方案合理性与可行性的重要实验手段。风洞试验即在风洞中模拟实际飞行条件,获取飞行器缩比模型在该环境下的受力、变形情况,求解飞行器的气动参数,为飞行器结构的优化设计提供可靠的数据。飞行器和支撑结构构成的系统在俯仰方向具有较低的刚度,在风洞实验,尤其是大姿态角度、跨声速时容易产生低频大幅振动,严重影响模型气动载荷的测量。本文提出了一种用于变气动载荷激励的悬臂梁结构振动主动控制的模糊自适应PD控制方法。选择估计得到的振动能量和气动载荷激励功率作为过程的参考变量,利用模糊规则和推理在线确定PD控制器的参数。设计并建立了一套实验系统,在风洞条件下进行了验证试验。  (1)通过振动加速度信号对系统的整体振动能量进行估计。该参量可以表征系统当前的振动强度。系统的振动能量为风洞试验过程中系统受到气动载荷的激励最累积达到的振动能量值,能量在系统内部以动能和势能的形式相互转化。本文针对飞行器模型尾部支撑系统在风洞实验中的振动问题,通过分析系统振动过程中运动状态,提出了一种基于模型加速度信号的系统振动能量估计方法,为模糊自适应控制器提供参考输入量。  (2)对气动载荷激励功率进行估计。该参量可以用于评价振动变化的趋势。对气动载荷的平均激励功率进行估计,需要从振动能量在该时间段内的平均变化中除去减振器输出的控制力所贡献的部分,因此需要建立减振器平均输出功率模型。气流载荷做功功率需要从系统累积能量中解算出功率,然后根据标定好的减振器功率模型将其中由减振器贡献的部分排除掉,作为模糊控制器的另一个参考输入量。  (3)对系统振动能量与气动载荷激励功率进行模糊化处理,通过模糊控制对PD控制器的比例与微分系数进行实时调节。控制方法从能量的角度综合考虑了系统振动强度与气动载荷激励强度,使算法与减振系统对风洞实验环境变化具有较好的适应能力。  (4)对能量模糊自适应PD控制器与减振系统进行风洞实验的研究。为了验证本文所设计的风洞模型振动主动控制系统以及能量模糊自适应PD控制的可行性与效果,在风洞内分别进行了亚声速和跨声速验证实验。实验结果验证了在变工况实验的全过程均具有较为有效的、稳定的振动主动控制效果。主动振动控制能力优于PD控制器,振动均方根值在各工况下均提高10%以上。
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