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申请/专利权人：大连理工大学

摘要：本发明属于直升机工程技术领域，涉及一种用于刚性共轴旋翼升力波动消除的强扇区主动控制方法，包括：1通过直升机的旋翼的桨叶片数确定扇区位置和大小；2构建外循环配平迭代，通过旋翼一周整体的总距和周期变距平衡全机的气动力；3构建内循环配平迭代，通过扇区内的桨叶桨距主动控制来消除旋翼升力波动；4重复步骤2～步骤3，直至同时满足全机平衡以及升力波动被消除的条件。本发明方法能够以较低的主动控制操纵和较少的旋翼性能损失实现升力波动消除。

主权项：1.一种用于刚性共轴旋翼升力波动消除的强扇区主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1通过直升机的旋翼的桨叶片数确定扇区位置和大小；如果每幅旋翼有Nb个叶片，则强扇区的扇形角度应至少为360°Nb；在选择扇区位置时，将其定位在当前主动控制输入所操纵的目标力的优势区域，以提高主动旋翼控制的效率；由于旋翼的目标是通过主动控制叶片的桨距变化来消除旋翼升力的波动，因此，扇区应该布置在桨距变化对升力影响最大的方位，即每幅旋翼各自的前行侧；2构建外循环配平迭代，通过旋翼一周整体的总距和周期变距平衡全机的气动力；假设主旋翼产生直升机的所有可控空气力，考虑机身的重力和飞行阻力，外循环配平模块的控制输入直接采用总距和俯仰力矩系数；则外循环配平的输入操纵量zout由下式表示： 其中，θ0,θ1c,θ1s分别表示旋翼的总距、横向和纵向周期变距系数，上标“upper”和“lower”分别表示上下旋翼；外循环配平的输出状态量包含与三维坐标系中所有方向的力和力矩总计六个量；由于关注减轻主旋翼的气动振动，因此不考虑推进旋翼的桨距，假设它可以始终抵消直升机的向后力；因此，忽略直升机的后向力Fx，外循环配平的输出状态量yout减少为5个量，即：yout＝Fy,Fz,Mx,My,MzT2其中，Fy,Fz,Mx,My,Mz分别表示直升机的侧向力、垂向力、滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩；因为外循环的迭代目的是平衡直升机在各个方向的力和力矩，因此状态量的所有目标值均设置为零，即yout,target＝0,0,0,0,0T；外循环配平的输入操纵量涉及6个量，而状态量包含5个量；因此，下旋翼的纵向周期变距作为预设值被单独提出来，在迭代过程之前指定并在计算过程中保持不变；选择作为预设值可方便地调整旋翼在其当前工作状态下的升力偏置；从而将外循环配平的输入操纵量的数量减少到五个，与输出状态量匹配，则最终的外循环操纵输入量z′out由式1修改为： 则，外循环配平的迭代方程如下： 其中，Δz′out表示计算得出的当前操纵量所需要的改变量，Δyout＝yout,target-yout为当前状态量与目标值的差值，λout为松弛因子，是外循环配平的雅可比矩阵；在具体的外循环迭代过程中，旋翼旋转满整圈时，改变式3的输入操纵量的其中一个特征参数，等旋翼气动状态计算收敛后即可得到式2的输出状态量由于该特征参数的改变所产生的改变量；将输出状态量的改变量依次与该输入特征参数的改变量相除即可得到对应外循环雅可比矩阵Jout的一列；按此流程，依次对输入操纵量中的每个参数完成更改后，得到完整的雅可比矩阵；代入式4的迭代方程后，即可得到完成配平所需要的当前操纵量的改变量，该改变量可依次作为下一轮迭代中的操纵量中各参数的改变量；完整更新若干次雅可比矩阵后，外循环配平可收敛，说明此时直升机各个方向的力和力矩全都达到平衡，即式2的输出状态量的各项都达到了目标值0；3构建内循环配平迭代，通过扇区内的桨叶桨距主动控制来消除旋翼升力波动；上下旋翼的内循环配平过程相同，对于一幅旋翼，假设旋翼桨盘上的主导扇区包含Ns个方位段，那么一个刚性旋翼的内循环配平模块的输入控制量zin表示为： 其中，θi对应第i个方位角的叶片桨距；此外，将输出状态量yin定义为： 其中，是旋翼在第i个方位角的总升力系数；内循环配平的目标是消除升力波动，因此在内循环配平迭代收敛后，扇区内所有方位角的旋翼总升力系数应与旋翼一次旋转中的平均总升力系数一致；因此，相应地设置内循环配平输出状态量的目标值yin,target： 则，内循环配平的迭代方程如下： 其中，Δzin表示计算得出的当前操纵量所需要的改变量，λin为松弛因子，Δyin＝yin,target-yin为当前状态量与目标值的差值；是Ns×Ns阶内循环配平的雅可比矩阵；在具体的内循环迭代过程中，假设扇区内每个方位上的式5中的主动控制操纵量仅对它所在的本方位产生效果；因此内循环迭代可以一次性对式5的输入操纵量中的每一项同时施加各自的改变量，此时内循环雅可比矩阵变为对角矩阵；等到旋翼的气动状态计算收敛后，即可得到式6的输出状态量由于各自方位上操纵量的改变所产生的改变量，将输出状态量的改变量分别与对应的该方位上操纵量的改变量相除即可得到对应内循环雅可比矩阵Jout的所有对角线元素；代入式8的迭代方程后，即可得到完成配平所需要的当前操纵量的改变量，该改变量作为下一轮迭代中的操纵量中各参数的改变量；完整更新若干次雅可比矩阵后，内循环配平可收敛，说明此时扇区内所有方位角上的旋翼总升力系数应与旋翼一次旋转中的平均总升力系数一致，即每个方位上的输出状态量都等于式7的目标值；4重复步骤2～步骤3，直至同时满足全机平衡以及升力波动被消除的条件；条件为所述的内循环和外循环同时都达到收敛状态，即两个循环迭代的输出状态量都达到了各自的目标值。

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