[发明专利]一种基于预测控制的高超声速飞行器机翼颤振减损方法及减损控制器

说明书

本发明公开了一种基于预测控制的高超声速飞行器机翼颤振减损方法及减损控制器，方法包括基于三阶活塞理论计算机翼颤振时的非定常气动力，并建立三自由度机翼运动方程；建立考虑当前损伤值的非线性损伤模型，对机翼颤振损伤进行在线估计；对高超声速飞行器在不同飞行速度下的机翼颤振响应和损伤累积情况进行仿真分析；设计具有自适应预测周期的预测控制器对机翼颤振进行控制，实现颤振减损，并仿真验证该预测控制器对实现机翼减损目的的有效性。本发明弥补了现有技术中预测控制周期为固定值，不能灵活变动的缺陷；本发明控制器具有随系统输出误差变化的自适应预测周期，对机翼颤振具有良好的控制效果，能够有效减缓损伤。

技术领域

本发明涉及飞行器颤振控制减损方法，特别涉及一种基于预测控制的高超声速飞行器机翼颤振减损方法及减损控制器。

背景技术

机翼颤振是高超声速飞行器经常发生的一种非线性动不稳定现象。一旦机翼颤振发生，尤其是对于高超声速飞行器而言，机翼颤振时的振动幅值以及损伤累积将快速增加，极大地威胁了飞行器的飞行安全。因此，为了减少机翼颤振的负面影响并减缓损伤累积，研究者提出许多的控制方案来控制颤振。

在过去的几十年里，气动弹性分析以及颤振控制在高超声速流中取得了极大的关注，许多成果主要集中在非定常气动的推导以及主动控制器的设计方面。一阶活塞理论和三阶活塞理论等被广泛应用于机翼颤振时非定常气动力的求取。神经网络控制、滑膜控制、L-M控制、线性二次型控制等被成功应用于机翼颤振的控制以减缓颤振损伤。

预测控制是基于最优目标函数的一种控制方法，被认为是工业上最有前途的控制方法之一。通过寻找最优目标函数，使得系统输出跟踪给定输入值。早在1994年，Clarke就将广义预测控制器成功应用到线性系统，之后，为了满足非线性系统的要求，经过改进的预测控制方法开始被应用到非线性系统当中。Chen等针对一类多变量非线性系统提出了非线性预测控制器，并分析验证了预测周期和控制相对阶的重要性。Hedjar提出有限时域非线性预测控制器，并将其应用于移动机器人的轨迹规划问题和刚性连杆机器人的轨迹跟踪问题。Cheng等将预测控制器应用于高超声速飞行器的姿态跟踪问题。Errouissi设计了鲁棒预测控制器来加强控制系统的鲁棒性。这些预测控制方法的改进都已经成功在工程实践中得到了广泛应用。然而，这些预测控制器中的预测周期是静态的，对于机翼颤振运动系统，固定不变的预测周期可能造成机翼颤振控制缓慢，进一步造成不必要的损伤累积，因此针对预测控制中的不足，本发明设计了具有自适应预测周期的机翼颤振减损控制器，来进一步减缓机翼颤振损伤。

由于机翼颤振的极大破坏性，任何微小的结构损伤都有可能演化成一场灾难性的事故。因此，建立精确的损伤模型对于机翼颤振损伤的估计以及控制器的设计至关重要。今年来，关于结构的损伤寿命问题以取得了不少有价值的成就。Caplin、Ray和Newman等建立了疲劳裂纹增长模型，分析了不同载荷水平下裂纹的增长情况。在Li和Tangirala建立的损伤模型中，分层寿命延长控制被应用于发动机系统。另外，计算机技术的进步使得有限元软件技术也被广泛应用于机翼颤振损伤受力的分析。

综合以上讨论可见，针对机翼颤振控制方面以及材料损伤预测方面的研究成果显著，这都为颤振减损的研究提供了依据。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于预测控制的高超声速飞行器机翼颤振减损方法及减损控制器，并利用损伤模型对机翼颤振进行损伤预测，本发明所设计的预测控制器可以有效抑制机翼颤振，减缓机翼颤振损伤。

技术方案：一种基于预测控制的高超声速飞行器机翼颤振减损方法，包括以下步骤：

(1)基于三阶活塞理论计算机翼颤振时的非定常气动力，并基于拉格朗日方程建立三自由度机翼颤振运动模型；

(2)基于应力-损伤模型，建立考虑当前损伤值的非线性损伤模型，对机翼颤振损伤进行在线估计；