高超声速飞行器机翼减损控制技术研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870318-SX153学科分类号：082601硕士学位论文高超声速飞行器机翼减损控制技术研究研究生姓名应竣棫学科、专业控制理论与控制工程研究方向减损控制指导教师王玉惠副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationDamage-MitigatingControlfortheWingofHyp

2、ersonicFlightVehicleAThesisinControlTheoryandControlEngineeringbyYingJunYuAdvisedbyAssociateProf.WangYuhuiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢

3、的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要高超声速飞行器作为新一代战略飞行器，其在高超声速飞行时，薄激波层、黏性干扰、熵层、高温效应和低密度效应等复杂的气动特性使得机翼表面产生更复杂的气动载荷分布

4、。这些复杂的气动干扰使得飞行器机体结构容易累积不同程度的疲劳损伤，当损伤累积到一定程度时会造成结构破坏，并且可能会导致飞行灾难的发生。而机翼作为飞行器上主要的承力部件，除了承受飞行器整体的重力外，还要承受高速气流中的粒子对机翼翼面的冲撞而产生的复杂气动干扰和气动热的影响，因此最易产生疲劳损伤的位置是机翼中的某些关键部件。为保证飞行器在整个飞行包线内的结构可靠性，并延长飞行器的循环使用次数，本文对高超声速飞行器机翼截面进行结构力学分析，紧接着建立了飞行器动力学模型和损伤机理模型；随后分析了对损伤累

5、积影响最大的关键变量，以此提出了几种相对应的高超声速飞行器机翼减损控制方案。论文的主要工作内容如下：首先，通过机翼翼梁根部载荷应力分析，获得高超声速飞行器在飞行过程中机翼翼梁处的实时受力情况；然后建立可以反映高超声速飞行器在飞行过程中机翼损伤演化的损伤力学模型；接着在建立高超声速飞行器动力学模型的基础上，分别分析了飞行器飞行高度、速度、迎角以及舵面偏转角等变量对机翼关键部件损伤特性的影响，以确定影响损伤的关键变量。其次，对机翼截面进行应力分析来确定损伤最易累积的截面，并将此截面处的损伤信息反馈用

6、于控制器的设计；而后阐述了预设性能的理论基础，在此基础上结合损伤模型和飞行器模型分别设计了姿态预设性能减损控制器和纵向预设性能减损控制器，来达到在保障飞行性能前提下的减损目的。然后，介绍了非线性系统的最优预测控制的理论基础和采用优化性能和损伤加权的目标函数的减损方案；随后分别设计了姿态和纵向的最优预测减损控制器，设计的控制器能在指定的权值区间内根据损伤变化率在线调整权值来权衡损伤和性能，从而保证在一定的性能范围内，大幅降低期间所累积的损伤。最后，考虑到最优预测减损控制中通过调节权值区间所得到的跟

7、踪误差曲线的动态特性和调节时间难以提前获知，利用预设性能的思想将提前设计好的性能函数引入目标函数中来改变优化目标，以此求得的跟踪误差曲线的变化范围在性能函数包围的区域内，并在此条件下设计权衡损伤和性能的最优预测减损控制器，进而实现性能可控下的减损控制。关键词：高超声速飞行器，机翼，结构力学分析，关键变量，损伤模型，减损控制，预设性能，最优预测，损伤和性能权衡，性能函数，性能范围，损伤信息反馈I高超声速飞行器机翼减损控制技术研究ABSTRACTAsanewgenerationofstrategic

8、aircraft,hypersonicflightvehiclesufferssomecomplicatedaerodynamiccharactericssuchasthinshocklayer、viscousinterference、entropylayer、hightemperatureeffectandlow-densityeffectwhichwillcreatmorecomplicatedaerodynamicloaddistributiononitssurface.thesecomp