[发明专利]一种模拟结构控制耦合效应的飞行器半物理仿真系统

摘要

本发明涉及一种模拟结构控制耦合效应的飞行器半物理仿真系统，属于飞行器半物理仿真技术领域。本发明的仿真系统，是在仿真转台和角速率陀螺之间连接挠性连接器，将连接后的挠性连接器和角速率陀螺组成的结构动力学系统设计成与被模拟飞行器模态振动频率相同，并通过对角速率陀螺测量到结构动力学系统的振动信号进行放大叠加，得到模拟结构控制耦合效应后的仿真结果。本发明的仿真系统可以在半物理仿真中模拟结构控制耦合效应的影响，提高弹性飞行器半物理仿真的真实度；并且可以将半物理仿真中刚体运动和弹性振动运动分离，降低仿真机的运算时长。

主权项

1.一种模拟结构控制耦合效应的飞行器半物理仿真系统，其特征是：该仿真系统包括仿真转台、挠性连接器、角速率陀螺、信号放大器和信号采集器；挠性连接器采用矩形截面的弹性梁结构，挠性连接器尾部固定在仿真转台上，且使挠性连接器的延伸方向与仿真转台转动方向垂直，挠性连接器的头部固定角速率陀螺，角速率陀螺的输出端通过信号放大器与信号采集器相连；所述挠性连接器设计变量的具体确定步骤如下：步骤1：建立仿真系统的运动模型，得到挠性连接器的固有频率fn与特征值λ的对应关系，如式(1)：其中，特征值λ通过式(2)所示的超越方程解得：式中，ρ为挠性连接器材料的密度，A为挠性连接器截面面积，L为挠性连接器的长度，该长度为挠性连接器从仿真转台伸出点至角速率陀螺固定位置起始点的长度；J为角速率陀螺的转动惯量，m为角速率陀螺的质量；E为挠性连接器材料的杨氏模量，I为挠性连接器截面惯性矩；步骤2：利用有限元软件建立被仿真飞行器的有限元模型，计算被仿真飞行器的一阶固有频率f_d和飞行器角速率陀螺位置处的横向转动模态振型步骤3：取步骤1运动模型中挠性连接器固有频率fn的第一阶频率f1(x；u)与步骤2中所得到的被仿真飞行器的一阶固有频率fd之差的绝对值为目标函数，对目标函数取最小值，以得到f1(x；u)中对应的设计变量x的优化值，即完成如下式所示的优化问题；式中x表示挠性连接器的设计变量，包括挠性连接器的长度L、挠性连接器的截面面积A和挠性连接器的截面惯性矩I；由于挠性连接器采用矩形截面的直杆结构，其截面高为h，宽为p；则A＝ph，u表示已知参量，包括角速率陀螺的质量m、角速率陀螺的转动惯量J、挠性连接器的材料密度ρ和挠性连接器弹性模量E；其中，设计变量x的优化值满足s.t.x∈[x_L,x_U]的约束条件，x_L和x_U分别表示挠性连接器的设计变量x的下限和上限；经过以上优化，即可得到挠性连接器设计变量x的优化值，优化值具有多个，选择任意一个作为挠性连接器的设计值x1，包括L1,p1,h1；所述信号放大器对角速率陀螺的振动信号放大系数可由式(16)得到：式中的α1表示挠性连接器自由端位置处的转动平动比，可由下式得出：上式中的中间变量γ1可由下式得到：则通过代入挠性连接器设计变量取值L₁,p₁,h₁和飞行器角速率陀螺位置处的横向转动模态振型即可求出信号放大器对角速率陀螺的振动信号放大系数。