表5 柔性飞机非线性气动弹性与飞行动力学耦合仿真工具/框架

Tab.5 Coupling simulation tools/frames for nonlinear aeroelasticity and flight dynamics of flexible aircraft

4.2 气动弹性主动控制

由于各种非线性因素，柔性飞行器线性气动弹性系统会产生极限环振荡、混沌等一系列不稳定现象，对飞行器结构和飞行安全造成很大隐患.长航时无人机主动控制技术(active control technology)采用驱动装置消除气动弹性不稳定性的影响，主要包括主动颤振控制和阵风减缓控制.常规飞行器的气动弹性主动控制研究，详见文献[137-139].对于长航时无人机，目前主要的控制器包括：线性二次调节(linear quadratic regulator，LQR)、线性二次高斯控制器(linear quadratic gaussian，LQG)、静态输出反馈控制器(static output feedback，SOF)和PID(proportional integral derivative)控制器等.由于长航时无人机飞行特性的不确定性，自适应控制正受到广泛关注[140-142].

大展弦比机翼应用主动控制技术可以提高颤振速度，扩大长航时无人机的飞行包线.Patil等[95]提出了最优恒增益SOF控制器的设计方法，用于高空长航时无人机大展弦比机翼阵风减缓和极限环振荡控制，其结果表明，控制器在不同位置时具有不同的控制效果；SOF控制器与LQR和LQG控制器相比具有相似的增益和相位裕度.Cesnik等[143]开展了高空长航时无人机机翼的颤振控制研究，对传感器类型、作动器分布进行优化，研究表明处于合适位置的应变传感器可以对大展弦比机翼颤振进行控制.Afonso等[144]结合非线性气动弹性分析模型，设计了抑制大展弦比机翼气动弹性失稳的控制律.Zhao等[145]将柔性飞行器视为反馈控制下的多体系统，研究了气动弹性、飞行动力学和控制的耦合作用，结果表明，该方法可以控制柔性飞行器操纵时的极限环振荡现象.

阵风减缓主动控制，可以降低机翼载荷，延长结构寿命，并改善飞行器操控稳定性等品质.Dillsaver等[146]使用线性降阶模型对长航时无人机X-HALE的动力学系统进行降阶，通过设计LQG控制器实现阵风减缓.仿真结果显示，阵风引起的机翼曲率峰值降低了47%，机翼均方根曲率降低了83.7%.Wang等[147]针对长航时无人机阵风减缓问题，使用SOF控制器，抑制无人机柔性变形.仿真结果表明，阵风条件下翼尖最大位移减小了33%.Cook等[148]研究了柔性飞行器后缘控制面的阵风抑制问题，通过设计线化控制器，使得该飞行器离散阵风下的根部弯矩减小了9%.Wang等[149]开发了非线性气动弹性伺服框架用于柔性飞行器的飞行模拟，其设计的H∞控制器，可使飞翼布局的柔性飞行器在不同的阵风条件下保持稳定.Zeng等[150]设计了自适应前馈控制系统，并以F/A-18主动气动弹性机翼模型为对象，验证了方法的可行性.陈磊等[151]针对大展弦比多控制面弹性机翼风洞模型，从频域和时域进行了阵风响应分析，使用PI控制器进行阵风响应减缓控制律设计.仿真和风洞试验结果表明，在各设计控制律下，翼尖的加速度减少了10%以上，并且在速度较高时的减缓效果优于低速时的减缓效果.

4.3 无人机飞行轨迹控制

长航时无人机飞行动力学是高阶非线性系统，对扰动敏感，在保证控制系统能完成控制目标的同时还要求其具有较强鲁棒性，因此飞行轨迹控制系统设计难度较大.工程实际应用中，考虑到飞行器做姿态运动时受到物理舵面偏转的限制，在设计控制系统时还应考虑受限算法[152].

早期长航时无人机轨迹控制系统设计，主要在稳定风场假设下展开.Silvestre等[123]基于刚体近似理论，将柔性模态作为扰动加入控制系统中，设计了输出反馈控制器，实现了大柔性飞行器的俯仰角速率跟踪.Haghighat等[153]设计了应用于长航时无人机的多目标鲁棒控制器，使用线性矩阵不等式方法将控制器设计描述为凸优化问题，当配平速度变化时，在鲁棒控制器作用下，长航时无人机的稳定性和闭环系统性能仍能保持良好.Che等[154]针对强刚柔耦合的轻质结构大展弦比柔性飞行器设计了L1增广自适应控制器，该控制器用于保持飞行器巡航高度以及抑制机身颤振，其结构框图如图12所示.结果表明，L1自适应控制器能够在30～130 psf之间保持稳定并且达到良好的性能指标.

图12 长航时无人机L1自适应轨迹控制器框图[154]

Fig.12 L1 adaptive trajectory control architecture of long-endurance UAV[154]

Shearer等[155]在六自由度机体坐标系下设计了大柔性飞行器的双闭环轨迹控制算法.飞行器控制器分为内外回路，外回路采用PID结合非线性变换控制，主要进行轨迹倾角控制，产生的输出作为内回路的控制输入.内回路对横侧向和纵向运动进行解耦控制，纵向采用动态逆控制器，横航向采用线性二次型控制器，主要用于控制飞行器线速度与角速度.Zheng等[156]将高阶大柔性飞行器模型降阶，对降阶模型设计标称LQG控制器，在此基础上考虑系统鲁棒性设计了输出反馈自适应控制器.结果表明，控制器能够提高瞬态响应速度并且达到跟踪指标的要求.Sadat-Hoseini等[157]基于LQR和前馈闭环控制方法设计了大柔性飞行器着陆轨迹跟踪控制器，控制流程如图13所示，利用LQR跟踪着陆控制轨迹，引入积分器消除静态误差，使用前馈环节来减少可测量量的扰动引起的系统误差，成功实现了飞行器在稳定侧风存在时的降落轨迹跟踪.