变转速刚性旋翼载荷控制研究项目摘要

变转速刚性旋翼作为长航时及高速等先进直升机的关键技术是直升机领域研究的重点和难点之一。刚性旋翼不同于常规铰接式和摆振柔软旋翼，旋翼载荷水平明显较高。旋翼转速的变化，带来激振频率的变化，旋翼载荷状况进一步恶化。为了降低变转速刚性旋翼载荷，本项目在基于常转速刚性旋翼载荷控制的基础上，研究基于变频液弹吸振器的变转速刚性旋翼载荷控制方法。变频液弹吸振器根据旋翼转速的变化调节液弹吸振器的固有频率，达到能在不同转速下降低旋翼载荷的目的。在建立变频液弹吸振器动力学模型基础上，耦合旋翼系统动力学模型，建立其多体系统动力学模型，分析变频液弹吸振器在典型状态下（不同转速）的载荷控制能力。通过旋翼－吸振器载荷实验验证基于变频液弹吸振器的变转速刚性旋翼载荷控制方法的有效性。

旋翼转速变化会带来旋翼激振频率、桨叶固有频率变化以及加剧旋翼前后行侧气动环境不对称，进而带来变转速旋翼直升机载荷问题。为降低变转速刚性旋翼载荷，在旋翼桨叶挥舞和摆振方向加装液弹吸振器、在桨叶小拉杆上附加液弹隔振器，通过旋翼转速的变化带来的离心变化，驱动液弹装置中的平衡质量，改变调谐面积比，从而改变液弹装置的调谐频率，达到调谐频率可随旋翼转速变化的效果，进而达到抑制变转速刚性旋翼载荷的目的。建立了基于广义力形式的旋翼与液弹装置耦合系统动力学模型，旋翼动力学综合模型主要包括：中等变形梁模型模拟桨叶弹性变形间几何非线性；桨叶运动学模型；Pitt-Peters入流模型计算桨盘上方诱导速度；桨叶翼型剖面气动模型采用非线性准定常和Leishman-Beddoes非定常气动模型；前飞配平模型；机体气动模型；吸振器和隔振器动力学模型。分析表明，液弹装置可显著降低常规定转速旋翼直升机桨叶及小拉杆载荷，旋翼转速变化会显著降低液弹装置的吸振和隔振特性，变频液弹装置可有效降低变转速旋翼桨叶挥舞、摆振和小拉杆载荷。设计了相关模型旋翼和吸振器装置，并进行了相关的变转速旋翼载荷和模型旋翼吸振器系统动力学实验。通过该研究，一方面说明了载荷问题对变转速刚性旋翼设计的重要性，另一方面也给变转速刚性旋翼载荷控制提供了一种可供参考的方法。对变转速旋翼载荷问题提供了理论指导，具有重要的工程参考价值。

旋翼控制器，炸弹从飞机上投下后的一定时间内，控制引信旋翼不能旋转的机构。由保险机构、打火机构、延期机构、固定座和抛射药等组成。其作用是：在高速飞机上投弹时，防止引信旋翼在飞机附近旋脱而打伤飞机；在进行战术连投、齐投、连续齐投和应争投弹时，防止炸弹在飞机附近相互碰撞，造成空炸损伤投弹飞机。不同型号的航空炸弹引信配用不同型号的旋翼控制器。 2100433B

变结构鲁棒控制的早期研究，主要针对单变量系统（SISO）的在微小摄动下的不确定性，具有代表性的是Zames提出的微分灵敏度分析。然而，实际工业过程中故障导致系统中参数的变化，这种变化是有界摄动而不是无穷小摄动。因此产生了以讨论参数在有界摄动下系统性能保持和控制为内容的现代鲁棒控制。

现代变结构鲁棒控制是一个着重控制算法可靠性研究的控制器设计方法。其设计目标是找到在实际环境中为保证安全要求控制系统最小必须满足的要求。一旦设计好这个控制器，它的参数不能改变而且控制性能能够保证。

变结构鲁棒控制方法，是对时间域或频率域来说，一般要假设过程动态特性的信息和它的变化范围。一些算法不需要精确的过程模型，但需要一些离线辨识。

一般变结构鲁棒控制系统的设计是以一些最差的情况为基础，因此一般系统并不工作在最优状态。常用的设计方法有：INA方法，同时镇定，完整性控制器设计，鲁棒控制，鲁棒PID控制以及鲁棒极点配置，鲁棒观测器等。

变结构鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态特性已知且不确定因素的变化范围可以预估。飞机和空间飞行器的控制是这类系统的例子。

过程控制应用中，某些控制系统也可以用鲁棒控制方法设计，特别是对那些比较关键且（1）不确定因素变化范围大；（2）稳定裕度小的对象。

但是，鲁棒控制系统的设计要由高级专家完成。一旦设计成功，就不需太多的人工干预。另一方面，如果要升级或作重大调整，系统就要重新设计。