[发明专利]一种绳系支撑飞行器模型强迫自由角运动模拟与抑制方法

说明书

一种绳系支撑飞行器模型强迫自由角运动模拟与抑制方法，属于机电控制技术领域。包括以下步骤：1)采用一种5绳欠约束绳系支撑系统支撑飞行器模型的方式；2)建立含舵面的支撑系统动力学方程；3)设计大迎角强迫俯仰运动控制律；4)设计舵面控制律1，补偿滚转和偏航方向的绳拉力约束项和科氏力项，模拟强迫俯仰+自由滚转/偏航角运动；5)设计舵面控制律2，抑制滚转/偏航方向的角运动。能够在模拟飞行器在俯仰方向上进行大迎角强迫角运动的同时，释放滚转和偏航方向的自由度，也能抑制滚转和偏航方向的角运动。采用本发明可以对飞行器模型进行风洞大迎角强迫自由角运动试验，研究其大迎角下的气动/运动/控制耦合关系。

技术领域

本发明属于机电控制技术领域，具体是涉及一种绳系支撑飞行器模型强迫自由角运动模拟与抑制方法。

背景技术

绳系支撑系统使用绳索代替传统的刚性杆来控制末端执行器的姿态，具有工作空间大、负载能力高、动态性能好等优点，在大型射电望远镜、康复机器人等方面已有较为成熟的应用，同时也为风洞试验提供一种新型支撑方式。传统的风洞试验采用“硬式”支撑，如腹撑、背撑、尾撑等，其惯性力较大，支架也会对模型附近的流场产生较大干扰；而绳系支撑因其对流场干扰较小，且具有多自由度运动的特点，可以为风洞动态试验支撑技术提供支持。

根据绳数m与自由度n之间的关系，绳系支撑系统可分为三种类型，即：欠约束(mn+1)、完全约束(m＝n+1)和冗余约束(mn+1)。近年来，已有研究将冗余约束和完全约束的两类绳系支撑系统应用于低速风洞试验中，开展相应的理论研究和试验验证。然而，此机构只能驱动飞行器模型做受迫运动，研究给定运动轨迹下的气动特性。为研究大迎角气动/运动/控制耦合关系或全模颤振试验，需要进行更接近真实的飞行情况的试验，模拟飞行器在特定方向上的强迫自由角运动。

目前，国内外多采用轴承结合“硬式”支撑的方式模拟飞行器在特定方向上的强迫自由角运动。如专利CN200910073391.9强迫俯仰-自由偏航风洞试验装置中，飞行器模型腹撑支杆由轴承支撑，能够实现大迎角强迫俯仰+自由偏航运动，但是腹撑对飞行器模型附近的流场产生较大的干扰；专利CN110207943A高超声速风洞虚拟飞行试验系统及试验方法中，在飞行器模型内布置尾撑式串联三自由度轴承，能够实现俯仰、滚转、偏航自由角运动，但无法直接模拟强迫运动，而且支撑杆的存在也会一定程度限制飞行器模型的角运动范围。综上所述，还未见到有关强迫俯仰和同时自由滚转、偏航的运动模拟，因此，需要设计一种新的大迎角强迫自由运动模拟与抑制方法。

发明内容

本发明的目的是提供可对飞行器模型进行风洞大迎角强迫自由角运动试验，研究其大迎角下的气动/运动/控制耦合关系的一种绳系支撑飞行器模型强迫自由角运动模拟与抑制方法。

本发明包括以下步骤：

1)采用一种5绳欠约束绳系支撑系统支撑飞行器模型的方式；

2)建立含舵面的支撑系统动力学方程；

3)设计大迎角强迫俯仰运动控制律；

4)设计舵面控制律1，补偿滚转和偏航方向的绳拉力约束项和科氏力项，模拟强迫俯仰+自由滚转/偏航角运动；

5)设计舵面控制律2，抑制滚转/偏航方向的角运动。

在步骤1)中，所述5绳欠约束绳系支撑系统包括4根上方绳索和1根下方绳索；4根上方绳索对称布置在飞行器模型的两侧前后，1根下方绳索布置在通过飞行器模型质心的位置；基于刚度和固有频率分析，支撑系统在滚转、偏航方向的一阶固有频率尽可能低，通过质心的绳索使滚转偏航基频尽可能低；绳索均为张紧状态，不发生虚牵，即绳拉力T0；由于欠约束绳系支撑的不完全约束，即使在绳长给定不变的情况下，飞行器模型依然可以运动，因此选择5绳欠约束绳系支撑系统作为模拟飞行器强迫自由角运动的支撑方式。

在步骤2)中，所述含舵面的支撑系统动力学方程采用如下表达式：