飞机喷水桁杆控制系统优化设计仿真.pdf

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1、第33卷第06期计算机仿真2016年6月文章编号：1006—9348(2016)06-0027—05飞机喷水桁杆控制系统优化设计仿真段世梅，刘晶晶，冯扬帆(中国飞行试验研究院数字化中心，陕西西安710089)摘要：为了研究某型飞机的结冰试验，需要研发一套飞机空中喷水作业系统。飞机喷水桁杆控制系统是飞机空中喷水作业设备的重要组成部分。需要将桁杆稳定在设定角度进行喷水作业。由于绳索张力、桁杆系统气动力及重力的综合作用，使得桁杆的控制变得复杂。针对飞机喷水桁杆系统进行了数学建模分析，并利用线性二次型调节器(LinearQuadraticRegulator，LQR)进行了控制器设

2、计和控制参数的获取。仿真结果表明，所设计的控制器不仅提高了桁杆系统的稳定性，还有效改善了控制系统动态响应和鲁棒性。关键词：喷水桁杆控制系统；线性二次型调节器；控制器中图分类号．_TP311．5l文献标识码：BOptimizeDesignandSimulationofAircraftSprayPoleControlSystemDUANShi—mei，LIUJing-jing，FENGYang—fan(DigitizationResearchCentreofCFTE，Xi’an，710089，China)ABSTRACT：Spraypolecontrolsystemisimp

3、ortantpartofairspraytasksystem，whichisneededtoworkatsettingangle．Controlforpolesystembecomedifficultbecausestringforce，aerodynamicforceofpolesystemandgravitationareeffecttogether．Inthepaper，mathmodelswerebuiltandanalyseswereprocessedforthepolesystem．Acontrol-lerwasdesignedbasedonLinearQua

4、draticRegulator(LQR)．StabilizationWasenhancedbasedonthedesignedcontroHerandsimulationresultswereshowntohavegooddynamicresponsesandrobustness．KEYWOROS：Spraypolecontrolsystem；LQR；Controllerl引言为了研究某型飞机的结冰试验，需要研发一套空中喷水作业系统。飞机的结冰试验，对于研究飞机结冰的相关性能十分关键。而在国内，没有相应的喷水结冰试验设备，需要远赴加拿大进行相关试验。为了改变国内喷水结冰试

5、验现状，需要研发一套空中喷水作业系统。喷水桁杆控制系统是空中喷水作业系统的重要组成部分，需要稳定在设定角度进行喷水作业。在国内，没有成熟的工程经验可供参考，就飞机喷水桁杆系统进行了数学建模分析，并基于LQR进行了控制器设计和控制参数的获取。仿真结果表明，所设计的控制器不仅提高了桁杆系统的稳定性，还有效改善了其动态响应和鲁棒性，为相关系统的研制提供了一定的借鉴与参考。示。根据简单分析可知，飞机机尾桁杆系统受到的力由重力、气动力组成，桁杆系统受力分析示意图如图2所示。图中，mg为重力，巳为桁杆系统气动升力，氏为桁杆系统气动阻力，F为钢索拉力．只为喷水时的反作用力。2系统建模图

6、1喷水桁杆示意图2．1非线性模型某型飞机喷水桁杆控制系统安装在飞机尾部，如图1所1)气动力⋯收稿Et期：2015—12—28修回日期：2016—02—26—27—图2桁杆系统受力分析k。=妒1rscd‰。=酽1y2sc，。k。=知俨sG-式中：Cd为杆体阻力系数；C，。为杆体升力系数；e。为侧向力系数；p为空气密度；w为空速；s为机翼面积。这个气动力是桁杆系统所受的气动力，桁杆系统的各个部件，包括桁杆、喷头、小翼都会产生相应的气动力，都会产生相应的使桁杆旋转的力矩。根据对某型飞机进行吹风试验结果，可以得到桁杆放下不同角度、小翼偏转不同角度时桁杆系统的气动旋转力矩系数。根据

7、式(2)，就可以得到桁杆系统气动力所产生的力矩。丝I=南V2Sc。CR(2)式中：c。为平均气动弦长；c。为桁杆系统的气动旋转力矩系数；p为空气密度；口为空速；S为机翼面积。2)重力桁杆系统所有部件在重心处都会产生向下的重力，重力会产生使桁杆向下偏转的力矩。假设飞行器无滚转，飞行俯仰角为p，则杆体重力在机体平行坐标系下的投影为：』Fy22mgc。8(口+a”一4’(3)[Fa=mgsin(日+口。一4)式中：m为桁杆系统总质量；g为重力加速度；‰为飞机机翼迎角；日为飞机俯仰角。由受力分析可知，当飞机巡航飞行时，只有垂直于杆体的