專利名稱：單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法
技術領域：
本發明屬于航空宇航推進理論與工程中的系統控制與仿真領域，具體涉及一種單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法。
背景技術：
在航空領域，數字仿真已發展為復雜系統設計與驗證不可或缺的一環，且為首要的一環，通過數字仿真驗證可有效降低物理試驗的風險及成本，并大幅縮短研制周期。直升機是一個多自由度、強耦合的高階系統，包括直升機子系統、發動機子系統以及控制系統等，其穩定性、操縱性和機動性與固定翼飛機相比均較差，隨著新一代直升機對機動性、生存性及操控品質等要求的不斷提高，傳統的將直升機與發動機分開設計的方法已不能滿足需求，只有充分考慮其間耦合作用采用綜合建模和控制，才能充分發揮發動機的性能潛力， 提高直升機的飛行品質。然而若要準確表達真實的飛行狀態或參數，體現綜合模型性能，首先則需要一個置信度高、性能良好的直升機/發動機綜合仿真模型，國內幾個主要的直升機設計研究所、航空高等院校均先后提出對該類綜合仿真模型建模技術的需求。直升機/ 渦軸發動機綜合仿真模型的建模技術主要包括直升機非線性建模、渦軸發動機非線性建模、直升機/渦軸發動機穩態配平、直升機/渦軸發動機動態計算以及直升機/渦軸發動機綜合模型實際運行解算五個主要環節。經對現有技術的文獻檢索發現，王志峰等在《飛行力學》1999年第17卷第4期上發表了 “直升機飛行/推進綜合模型的建立”，該文中的直升機模型與發動機模型均用線性模型來表征，難以在大包線范圍內反映直升機/發動機的非線性動靜態特性；南京航空航天大學的旋翼國家重點實驗室近年來對直升機/發動機功率匹配作了較深入的研究，如陳仁良1998年博士論文“直升機飛行動力學數學建模及機動性研究”，孫傳偉2002年博士論文“直升機飛行動力學模型與飛行品質評估”等，但是這些成果僅實現了直升機建模技術研究，在發動機方面并沒有實質性的突破；南京航空航天大學飛行/推進綜合控制實驗室姚文榮2008年博士論文“渦軸發動機/旋翼綜合建模控制與優化研究”實現了帶旋翼的渦軸發動機建模，并不包含完整的直升機模型，很難在相關直升機/發動機綜合系統設計及研發中發揮出更大效益；國外雖已有成熟的GENHEL、FLYRT和SARC直升機飛行動態仿真模型， 但偏重于直升機飛行品質方面的研究，與之匹配發動機模型卻采用簡化模型無法充分而準確的反映發動機動靜態特性。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提供一種單旋翼直升機/ 渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，用于對不同型號的直升機或發動機綜合系統的模型特征進行仿真，可進一步用于綜合系統的控制研究(如閉環控制、優化控制、抗擾控制等)。本發明的單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，包括以下步驟步驟A、分別建立直升機和發動機的非線性模型；
步驟B、單旋翼直升機/渦軸發動機的穩態配平，包括旋翼動力學系統配平、機體動力學模型配平、發動機模型配平；步驟C、單旋翼直升機/渦軸發動機的動態計算；步驟D、單旋翼直升機/渦軸發動機的實際運行解算。所述步驟B具體包括以下步驟步驟Bi、旋翼動力學系統配平，具體按照以下方法首先計算每個翼型的迎角，其中旋翼誘導速度采用非均勻一階諧波入流的計算方法，槳葉揮舞運動則基于槳葉的氣流環境分析旋翼槳葉的非定常揮舞運動，以遞推形式得到揮舞運動方程，然后根據翼型迎角計算其二元翼型氣動力，再通過積分求解每片槳葉的氣動力，最終計算出旋翼的氣動力，完成直升機旋翼模型的穩態計算；步驟B2、機體動力學模型配平，具體按照以下方法進行直升機旋翼、機身、尾槳、 水平尾翼和垂直尾翼的動力學解算，分別計算出各部件在直升機重心處產生的力和力矩； 根據計算出的各部件在直升機重心處產生的力和力矩，以及直升機重力，解算如下機體平衡方程組

權利要求
1.一種單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A、分別建立直升機和發動機的非線性模型；步驟B、單旋翼直升機/渦軸發動機的穩態配平，包括旋翼動力學系統配平、機體動力學模型配平、發動機模型配平；步驟C、單旋翼直升機/渦軸發動機的動態計算；步驟D、單旋翼直升機/渦軸發動機的實際運行解算。
2.如權利要求1所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述步驟B具體包括以下步驟步驟Bi、旋翼動力學系統配平，具體按照以下方法首先計算每個翼型的迎角，其中旋翼誘導速度采用非均勻一階諧波入流的計算方法，槳葉揮舞運動則基于槳葉的氣流環境分析旋翼槳葉的非定常揮舞運動，以遞推形式得到揮舞運動方程，然后根據翼型迎角計算其二元翼型氣動力，再通過積分求解每片槳葉的氣動力，最終計算出旋翼的氣動力，完成直升機旋翼模型的穩態計算；步驟B2、機體動力學模型配平，具體按照以下方法進行直升機旋翼、機身、尾槳、水平尾翼和垂直尾翼的動力學解算，分別計算出各部件在直升機重心處產生的力和力矩；根據計算出的各部件在直升機重心處產生的力和力矩，以及直升機重力，解算如下機體平衡方程組
3.如權利要求2所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述機體平衡方程組和發動機穩態平衡方程組的解算均采用Levenberg-Marquarat算法。
4.如權利要求2所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述單旋翼直升機/渦軸發動機的動態計算包括直升機動態計算和渦軸發動機動態計算，其具體方法分別如下直升機動態計算根據直升機各部件上的力和力矩，解算如下的直升機運動微分方程組
5.如權利要求4所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述直升機運動微分方程組的解算采用龍格-庫塔法。
6.如權利要求5所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述直升機運動微分方程組的解算采用四階龍格-庫塔法。
7.如權利要求3所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述發動機動態平衡方程組的解算采用一次通過算法。
8.如權利要求3所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述單旋翼直升機/渦軸發動機的實際運行解算包括直升機實際運行解算和發動機實際運行解算，其具體方法分別如下直升機實際運行解算
9.如權利要求8所述單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法，其特征在于，所述扭振濾波器采用帶通濾波與均值濾波串聯的形式。
全文摘要
本發明公開了一種單旋翼直升機/渦軸發動機通用綜合模型的構建方法。該方法包括分別建立直升機和發動機的非線性模型；單旋翼直升機/渦軸發動機的穩態配平；單旋翼直升機/渦軸發動機的動態計算；單旋翼直升機/渦軸發動機的實際運行解算。其中穩態配平采用Levenberg-Marquarat算法；動態計算中采用四階龍格-庫塔法求解直升機運動方程組，采用一次通過算法求解渦軸發動機動態平衡方程；實際運行狀態解算中采用修正的線性二次型調解器算法進行直升機解算，采用串級PID+扭矩前饋+總距補償及扭振濾波器方法進行發動機解算及負載濾波。本發明能夠滿足單旋翼直升機/渦軸發動機通用模型及控制方法的試驗需求，對于縮短研制周期、降低試驗風險及成本有著積極促進作用。
文檔編號G05B17/02GK102520620SQ20111036904
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者張海波, 王健康, 陳國強 申請人:南京航空航天大學