SMA驱动变体机翼后缘结构连续偏转模糊控制方法研究.docx

? ? SMA驱动变体机翼后缘结构连续偏转模糊控制方法研究 ? ? 吴 梦，徐志伟 (南京航空航天大学 航空学院，江苏 南京 210016) 0 引言 变体飞行器是指在飞行过程中可主动地改变飞行器主要结构(机翼、机身、进气道等)的相关参数，以适应不同飞行条件并能够获得最优飞行性能的飞行器。在变体飞机中，变体机翼是最重要的研究方向，主要包括：可变后掠角机翼、前后缘襟副翼偏转机翼、可变厚度机翼等各种类型。其中，机翼后缘襟副翼光滑连续偏转是重要的研究方向之一，国内外的很多学者和研究机构对此进行了广泛的研究[1-4]。 在机翼变体过程中，常规的驱动方式如液压、电机等成熟可靠，但体积和重量较大，无法满足机翼的设计要求，采用智能材料驱动器和多点分布式驱动是一种新型的解决方法[5]。在多种智能材料驱动器中，形状记忆合金SMA(Shape Memory Alloy)因具有高功重比、尺寸小、可消除复杂传动系统等优点，成为机翼变体结构中的首选驱动器之一。镍钛合金材料经过一定的工艺处理后，具备形状记忆功能，即在低温环境中受外力作用发生变形后，对其加热至一定温度可恢复至初始形状，因此被称为形状记忆合金。SMA材料内部主要存在两种合金相，低于所设定的温度时为马氏体相，此时SMA的弹性模量较小，容易产生变形；高于设定温度时为奥氏体相，此时SMA的弹性模量较大，变形过程中可产生很大的回复力，可以作为驱动器使用。但是，SMA材料易受外部温度和外力的影响，具有很强的时变性，而且SMA本身具有很强的迟滞性和非线性，因此难以建立精确的数学模型，实现对其变形和驱动力的精确控制。针对这一问题，国内外学者开展了大量研究，Bizdoacan等[6]针对一种基于SMA驱动的触手机器人结构及其数学模型，设计了滑膜模糊控制器并进行了仿真，仿真结果表明模糊控制器可提高系统的精度和响应速度。Kumagai等[7]通过线性函数的组合对SMA驱动器的迟滞曲线进行了简化，采用神经模糊方法建立了SMA驱动器的位移-加热电压动态模型并进行了跟踪实验，实验结果表明该模型在期望轨迹跟踪方面具有优势。Khodayari[8]设计了一种基于SMA丝驱动的三连杆蛇形机器人，该机器人结构中具有两个偏转极限为5°的转动关节，建立驱动器的数学模型后采用模糊PID控制方法对其进行了控制仿真，结果表明系统响应时间约20 s，稳态误差约0.2°。国内学者对SMA控制方法的研究起步较晚。任秉银等[9]设计了一种模糊PID控制系统，并对偏动式SMA驱动器的响应特性进行了仿真，结果表明该控制器可提高系统的响应速度。史振云等[10]研制了一种基于SMA驱动的转动关节，该关节的运动范围约±60°，建立了SMA丝的应变-电阻模型，基于该模型设计了模糊PID控制器并进行了阶跃响应实验，实验结果表明，旋转角度的平均误差约3.147°。 到目前为止，国内外学者对SMA驱动器的控制方法进行了深入的研究，其中模糊控制方法具有较好的控制效果，但都以相应的数学模型为基础，SMA材料的制备工艺和成分变化后，已有的模型很难适用于新型的SMA驱动器。针对这一问题，本文设计并制作了机翼后缘连续变弯度结构，采用差动式SMA丝作为驱动器满足后缘结构的双向偏转，研究并采用了模糊逻辑控制方法，实现对后缘偏转的精确控制。该方法无需建立SMA驱动器数学模型和系统的动力学方程，通过实验获取控制系统的相关参数，搭建了测控系统并进行了相关实验，获得了良好的控制效果。 1 SMA驱动可连续偏转机翼后缘变体结构 某机翼后缘要求能够实现±10°的上下偏转，机翼展长1.1 m、后缘弦长0.12 m，为实现机翼后缘的连续上下偏转，采用了多关节转动结构，如图1所示，后缘偏转过程中，为使翼面尽可能保持连续，采用分段翼肋和鱼鳞叠层蒙皮构型；为防止多段翼肋结构的干涉问题，采用3关节形式；其中关节1与机翼主骨架固定连接，相邻两关节铰接；加强梁将翼肋和后缘蒙皮连接，同时也是SMA丝驱动器的固定连接器件。后缘上下偏转采用了SMA丝差动驱动技术，每个转动关节中，将多根直径2 mm的SMA丝对称布置在机翼弦平面上下两侧。经实验测试其主要力学特性参数如表1所示，其中MS为马氏体相变开始温度，Mf为马氏体相变结束温度，AS为奥氏体相变开始温度，Af为奥氏体相变结束温度，DM为马氏体弹性模量，DA为奥氏体弹性模量，εl为最大残余应变。 图1 SMA驱动机翼后缘结构模型 表1 2 mmSMA丝力学性能 本文根据前期模型流场气动载荷仿真分析计算得到的气动载荷的要求，为确保SMA丝驱动器可产生足够的驱动力，在每个转动关节中上下共布置(2组)4根SMA丝。模型中根据实际后缘两个转动关节位移与载荷大小，每侧布置两组SMA丝，每组两根，每根长度为2 428 mm，计算得到最大偏转角度时最大变形量为2.