基于正交试验的RLV再入轨迹参数灵敏度分析

为分析RLV再入过程中参数对再入动态性能的影响,基于正交试验设计理论,运用极差分析法对影响RLV再入过程的7项重点参数开展灵敏度研究,仿真试验结果表明峰值热流、峰值动压、峰值过载和总加热量对初始速度和质量最为敏感,质量、初始航迹偏角、常值升力系数和初始高度之间的耦合灵敏度较大。提高初始速度和质量的精度,其它灵敏度较低的参数可适当放宽精度,从而提高飞行器性能,降低飞行器研制成本,确保再入飞行的安全性和可靠性。该方法不受系统模型限制,能减少试验运算和数据处理工作量,可有效应用于非线性、不连续的RLV动态再入过程制导算法鲁棒性评估和参数灵敏度分析,为再入任务规划提供理论支撑。     

受电弓混合建模与弓网耦合振动分析

接触网、受电弓、列车行驶工况复杂多变,弓网耦合方程建立不全面,基于受电弓参数的弓网耦合振动分析有待进一步研究。将弓头柔性的理论建模建模与传统受电弓线性模型的实验建模结合,并将气动抬升力和车体振动模拟进弓网的非线性耦合模型。利用Newmark-β法求解响应后,基于受流质量性能判断指标,分析受电弓参数以及改进前后的弓网耦合模型在列车不同行驶速度下对弓网接触力的影响。结果表明:列车低速行驶时,模型改进前后的接触力仿真结果差异很小;列车高速行驶时,两者差异增大,非线性不容忽视。此外,仿真得出M₁,M₂,K₂,C₁是影响接触网系统与受电弓系统合理匹配的关键参数。     

基于正交试验的空间绳网展开参数灵敏度分析

空间绳网的展开效果是空间绳网捕获任务成功的关键所在,而空间绳网展开效果的性能指标和设计参数都数目较多,且单次仿真试验耗时较长,为了避免进行耗时极长的全析因仿真试验,考虑采用正交试验设计方法以减少试验次数.本文针对影响空间绳网展开效果的设计参数开展了灵敏度分析,首先提出了空间绳网展开的性能指标和设计参数,然后基于正交试验设计安排仿真试验,获得了正交试验结果,最后综合运用极差法和方差法,对正交试验结果的各项性能指标依次进行了参数灵敏度分析.通过本文研究,精简了设计参数和待优化的性能指标的个数,为下一步的空间绳网展开参数优化设计打好了基础.     

高速列车动模型试验弹射控制系统GA-BP神经网络建模研究

介绍了高速列车动模型试验装置独特的组成结构与原理;在分析弹射系统动模型列车运动状态及其影响因素基础上,构建3层前馈神经网络(ANN)模型,实现从输入试验给定速度、弹射质量和环境温度到控制弹射力输出的复杂非线性映射;采用把遗传算法(GA)与改进的误差反向传播(BP)算法有机结合的混合(GA-BP)优化方法求解ANN模型最佳参数,并提出了模型跟踪系统特性变化的自适应学习规则.检验样本数据验证了GA-BP网络模型良好的学习和泛化能力;重复试验应用结果显示,弹射试验速度控制精度优于2 m/s,表明了系统模型的有效性和稳定性能.     

飞行器目标空中红外辐射特性测试技术研究

空中动态测试能够获取飞行器在飞行状态下的红外辐射特性,测试结果置信度高,为飞行器的红外隐身性能鉴定评估提供数据支撑。针对飞行器辐射温度范围宽、红外热像仪测温范围窄难以一次完全覆盖,提出了角度区域测试法,得到飞机多视向角测试结果;分析影响空中测试距离的因素,通过计算得到最优测试距离为200～500 m;研究空中近距离的大气传输特性,得到测试高度越高,大气传输对测试结果影响越小的结论。试飞测试结果验证了所提出措施的可行性和正确性,可有效提高飞行器空中动态测试效率,实现飞行器隐身性能的全面测试与评估。     

考虑受电弓非线性的弓网动态特性仿真研究

在以往的弓网研究中,常采用受电弓质量块模型,一般都未考虑受电弓的非线性特性。为此首先重新推导了受电弓非线性框架模型,然后研究了受电弓工作高度对归算参数的影响。最后考虑受电弓动态归算参数的影响修正了弓网耦合动力学方程,并采用龙格库塔法对其进行求解,研究受电弓非线性对弓网动态受流特性的影响。结果表明:归算质量随工作高度的变化不大,归算刚度随受电弓工作高度的变化有较大的振荡;考虑受电弓非线性因素使接触压力变化更加剧烈,列车运行速度越高,受电弓非线性特性对接触压力的影响越大,在研究高速弓网关系时,考虑受电弓非线性因素是很有必要的,可为精确研究高速弓网关系提供借鉴。     

高超声速折叠翼展开动力学研究

折叠翼飞行器在飞行过程中通过机翼的展开与折叠,来满足不同飞行任务时的最优飞行性能.在飞行过程中,折叠翼能够顺利展开并安全锁定是折叠翼飞行器顺利完成任务的根本原因之一.因此,针对高超声速折叠翼被动展开过程,研究其精确动力学建模与仿真,优化系统参数与飞行姿态,使得折叠翼展开锁定后的冲击响应满足结构要求.首先,采用绝对节点坐标法建立柔性折叠翼的柔性多体系统动力学模型,采用活塞理论建立气动力模型,从而形成折叠翼的柔-流耦合动力学模型,并采用广义a算法求解.其次,研究被动展开扭杆参数、阻力扭簧参数与飞行姿态等对高超声速折叠翼被动展开动态过程的影响,优化系统参数,有效降低展开锁定后的冲击响应.     

柔性叉指电极折叠特性的仿真建模与试验研究

柔性叉指电极以其稳定性好、灵敏度高、制作方便等优点成为柔性电容传感器的重要研究方向,也逐渐在可穿戴领域得到应用及发展。在不同的触觉信号作用下,柔性叉指电极可产生不同的电容输出值,通过平面映射及保角变换法得到柔性叉指电极在不同折叠情况下的计算式。运用COMSOL Multiphysics有限元软件建立柔性叉指电极传感器的仿真模型,详细分析了折叠角度及折叠位置对传感特性的影响,并通过试验研究进一步验证仿真结果的可行性。仿真及试验结果表明:当折叠角度θ≤90°时,对电容输出信号的影响较大;而折叠位置对电容的影响相对有限。该研究成果对柔性叉指电极在智能可穿戴领域的应用具有创新性的参考价值,为柔性叉指电容传感器提供了更广阔的发展前景。     

非线性末制导系统参数灵敏度分析

末制导系统参数随着飞行环境及飞行条件的改变而存在摄动,针对这一问题本文提出根据动态灵敏度来分析参数摄动对脱靶量的影响.基于伴随法推导出与系统动态方程相同规模的伴随方程,并通过一次伴随求解计算得到脱靶量对所有可调参数及摄动参数的动态灵敏度,有效的提高了计算效率.传统的直接分析法是将系统状态变量直接对参数变量进行微分,需要对每个参数变量求解一组代数或微分方程,对于状态变量及参数变量较多的情况效率较低.本文基于两种方法对末制导系统的参数灵敏度进行分析,分析结果揭示了参数摄动对脱靶量的影响程度,较小的参数灵敏度为提高系统的鲁棒性提供了依据.     

双站被动多普勒测速

基于双基站侦查系统对于有源空中运动目标,提出了一种被动测速方法.该方法利用双站与目标间的几何位置关系和相对速度引起的多普勒频差信息构建动态方程,求解目标速度.通过几组真实的参数详细分析了测速精度与测频精度、测角精度的关系.仿真结果证明该方法在较大的方位角范围内有较高的测速精度,且对于测频精度和测角精度的敏感性不高.     

Dynamic analysis and optimum design for control of beams with time-dependent changes of length

Structural systems with longitudinal mass flow can be seen in belt-conveyers, running magnetic tapes and flexible manipulators, etc. Transverse vibration problems of flexible longitudinally extensible beams are considered as a special class of vibration problems of structural systems with longitudinal mass flow. The optimum design problem to control the dynamic response of such structural systems is very important from engineering and practical viewpoints, but until now it has not been the subject of much study.Based on the method of dynamic response analysis of extensible beams presented in the authors' previous studies, a method of sensitivity analysis of dynamic response is presented in this paper. Utilizing the obtained sensitivities of the response with respect to design parameters, such as mass flow velocity, tension and rigidity etc., a new optimum design method to control the responses of such structural systems is also presented.     

带有超大型挠性网状天线航天器姿控系统的参数化多目标设计

本文研究了带有超大型挠性附件的卫星的姿态控制问题.关于挠性航天器振动抑制与姿态控制,绝大多数已有的控制方法都是针对某一单一指标提出的.然而工程上要同时兼顾精度、快速性、平稳性、挠性部件的振动抑制以及各种鲁棒性,因此挠性航天器的姿态控制系统设计实际上是一个典型的多目标设计问题.本文针对具有超大挠性网状天线卫星的俯仰通道姿态系统,提出了一种基于输出反馈的鲁棒极点配置的参数化多目标设计方法.首先给出了系统能控与能观的充分必要条件,然后给出了动态补偿器以及特征向量矩阵的参数化表达,并在此基础上进一步对自由参向量进行了多目标优化,使得控制系统具有:1)配置到期望区域的极点; 2)较低的特征值灵敏度;3)较强的高阶未建模动态抑制能力; 4)尽可能小的控制增益.最后,本文根据卫星工程参数进行了控制器设计与仿真验证,仿真结果表明本文提出的方法可以在动态响应、高阶未建模动态抑制能力、控制量峰值等方面优于传统的PID控制器.     

Active steering control strategy for articulated vehicles

To improve maneuverability and stability of articulated vehicles, we design an active steering controller, including tractor and trailer controllers, based on linear quadratic regulator (LQR) theory. First, a three-degree-of-freedom (3-DOF) model of the tractor-trailer with steered trailer axles is built. The simulated annealing particle swarm optimization (SAPSO) algorithm is applied to identify the key parameters of the model under specified vehicle speed and steering wheel angle. Thus, the key parameters of the simplified model can be obtained according to the vehicle conditions using an online look-up table and interpolation. Simulation results show that vehicle parameter outputs of the simplified model and TruckSim agree well, thus providing the ideal reference yaw rate for the controller. Then the active steering controller of the tractor and trailer based on LQR is designed to follow the desired yaw rate and minimize their side-slip angle of the center of gravity (CG) at the same time. Finally, simulation tests at both low speed and high speed are conducted based on the TruckSim-Simulink program. The results show significant effects on the active steering controller on improving maneuverability at low speed and lateral stability at high speed for the articulated vehicle. The control strategy is applicable for steering not only along gentle curves but also along sharp curves.     

牵引车–飞机系统的自适应滑模变结构控制

将自动转向技术应用于牵引车–飞机系统, 并以侧偏位移和相对横摆角作为反馈, 提出一种牵引车四轮主动转向控制策略. 重点考虑牵引车和飞机的侧向和横摆运动, 建立含铰接角在内的牵引车–飞机系统非线性动力学模型. 将牵引车和飞机的轮胎侧偏刚度视为有界的不确定性参数, 将侧向风等因素视为未知的外在扰动, 采用自适应滑模变结构控制方法设计牵引车转向角控制器. 仿真结果表明, 设计出的前、后轮转向控制器能使控制系统同时获得很好的轨迹跟踪性和操纵稳定性, 并且能够有效的克服参数摄动和外界干扰对系统操作性的影响.     

Parametric models for motion planning and control in biomimetic robotics

We describe the design, testing and tools to build parametric models of a six-legged cockroach-like robot for velocity control without precise knowledge on the robot's geometry or its inertia. Robot legs were made by Shape Deposition Manufacturing and were compliant at the "knee". These kinds of robots usually have a limited number of actuators and a small number of low-cost sensors. Consequently, they are difficult to control with analytic models. Our goal was to design a very fast robot that could run in a straight line over short distances at a desired velocity. We incorporated such legs into a novel body design, where position and orientation of the legs were chosen to enhance static stability. Robot design proved to be robust, as the machine did not suffer any failure in over 20,000 runs. We found that body-pitch angle was a crucial parameter in the control of running speed. To control this angle, we built a parametric model that related leg orientation to pitch angle. We experimented with various leg stiffness parameters, and built a comprehensive parametric model that quantified performance as a function of this parameter, as well as body-pitch angle, ground slope, and body mass. When these parameters were optimized, the robot consistently achieved a speed of six body lengths per second, even when pulling a large load in the form of a trailer cart.     

基于力矩信息的拖拉机转向动态PID控制方法

针对拖拉机驾驶机器人自主转向系统在转向过程中的阻尼具有非线性和时变性的特点,同时为了提高转向系统的控制性能,设计了基于力矩信号检测的拖拉机转向控制系统,其由力矩传感器、STM32处理器、工控机、驱动器及直流电机等组成.首先通过仿真研究不同力矩时的最优PID控制参数,给出不同力矩时的最优PID参数规律,再通过力矩传感器检测的力矩信号动态调整PID参数来控制电机的转向.仿真及实验结果均表明,基于力矩信号反馈的拖拉机动态PID转向控制方法能够有效控制拖拉机的方向,响应快、超调小、适应性强.     

柔性航天器拖拽空间碎片动力学与控制仿真研究

针对地球静止轨道空间碎片清除需求,开展了服务星通过绳索拖拽空间碎片离轨多体动力学与控制仿真研究.分析了在轨拖拽期间系统拓扑构型,采用递推方法推导了考虑地球J2摄动的服务星和空间碎片柔性多体动力学方程组,建立了基于集中参数法的绳索动力学模型,通过约束方程将绳索与服务星和空间碎片相连接,建立了服务星姿态控制力矩方程,最后形成了服务星在轨拖拽空间碎片期间柔性多体系统多体动力学方程.通过悬链线模型与本文采用的集中参数模型的比较验证了本文采用的柔性绳索模型的正确性,然后通过数值仿真分析了与服务星质量接近的空间碎片被拖动期间动力学特性,为这类航天器总体设计及空间碎片清除策略制定提供了参考依据.     

Nonlinear dynamic modeling and body injuries analysis of human/seat system under vertical impact

Predicting the responses and injuries of seated pilots caused by emergency landing or ejection is significant for the design of ejection seats. A nonlinear two-dimensional multi-body human/seat model is proposed to predict the responses and body injuries exposed to vertical impact. Then a new force identification method is presented and applied to obtain the external excitation of the system. In addition, the parameters of this model are optimized based on the Error Assessment of Response Time Histories (EARTH) metric and Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II). Furthermore, utilizing the proposed model, this research predicts body injuries with different impact intensities. With body injuries as output, the influence of input parameters is assessed by global sensitivity analysis (GSA) methods. The result shows that the backrest angle plays a crucial role in body injuries. Finally, the influence of backrest angle is further analyzed to obtain the variation of body injuries with backrest angle. This research provides guiding principles for the subsequent design of ejection seats.     

中心刚体-柔性梁应变反馈多目标优化控制

本文针对柔性结构在轨组装任务背景,将自动飞船和待运送部件分别简化为中心刚体和柔性梁附件,研究自由漂浮中心刚体-柔性梁系统的动力学与控制问题.首先基于小变形和低转速假设,将梁用假设模态法离散,采用Lagrange方程导出系统动力学方程.继而设计一种带有应变反馈的PD控制律用于完成中心刚体的状态镇定以及柔性梁振动抑制.此外,本文还使用遗传算法对控制器中的参数进行多目标优化.最后,通过数值算例验证了所设计控制器的有效性.