Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hµ néi Nguyễn Xuân Lĩnh Luận văn thạc sỹ tính toán đặc tính khí động máy bay dựa số liệu hộp đen Luận văn thạc sỹ ngành khí động lực Hà Nội-2008 Bộ giáo dục đào tạo Trường đại học bách khoa hµ néi Nguyễn Xuân Lĩnh Luận văn thạc sỹ tính toán đặc tính khí động máy bay dựa số liệu hộp đen Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng Không Luận văn thạc sỹ ngành khí ®éng lùc Ngêi híng dÉn khoa häc: GS.TSKH - Vị Duy Quang Hµ Néi-2008 Mơc lơc Trang Trang phơ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Mở đầu Chương - tổng quan 1.1 Phân tích, đánh giá công trình nghiên cứu đà có 1.2 Nêu vấn đề tồn 1.3 Chỉ vấn đề mà đề tài luận văn cần tập trung nghiên cứu 10 10 10 11 giải Chương sở lý thuyết 2.1 Mô hình toán chuyển động máy bay 2.1.1 Cơ sở xây dựng mô hình toán 2.1.2 Xây dựng mô hình toán chuyển động dọc ngắn máy bay 2.2 Một số phương pháp thuật toán nhận dạng thông dụng 12 12 12 22 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Một số phương pháp nhận dạng thông dụng 2.2.3 Thuật toán nhận dạng dựa lý thuyết đánh giá trình động học phi tuyến Chương 3- tính toán đặc tính khí động máy bay 3.1 Đặt toán 30 30 40 3.1.1 Dạng toán tổng quát 3.1.2 Dạng toán cụ thể luận văn 3.2 Tính tham số khí động dựa số liệu mẫu 3.2.1 Các bảng số liệu mẫu 3.2.2 Lựa chọn hàm điều khiển (t) 3.2.3 Tính tham số khí động tín hiệu ®iỊu khiĨn 45 45 46 46 47 48 30 45 45 ϕ(t) = const = 100 ë chÕ ®é bay H=1120m nhiễu 3.2.4 Tính tham số khÝ ®éng tÝn hiƯu ®iỊu khiĨn ϕ(t) = sin(t) chế độ bay H=1120m nhiễu Chương - kết bàn luận 4.1 Kết tính toán 58 66 66 4.2 Bàn luận Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 71 72 73 75 Mở đầu Lý chọn đề tài Trong thời kỳ hội nhập kinh tế giới, ngành KTHK ngành trọng điểm Nhà nước quan tâm Các quan chịu trách nhiệm khai thác, bảo dưỡng sử dụng máy bay đà nhận thấy tầm quan trọng đà quan tâm đến việc đạo tạo nhân lực đổi công nghệ nhằm mục đích đảm bảo an toàn chuyến bay Tuy nhiên, trình khai thác, sử dụng máy bay việc chuẩn đoán sớm hỏng hóc chưa nhà khoa học nhà kỹ thuật ngành thực quan tâm, đà có nhiều hỏng hóc bÊt thêng x¶y bay, uy hiÕp an toàn bay làm thiệt hại lớn đến tiền bạc tính mạng phi công Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đề tài xây dụng phương pháp tính toán đặc tính khí động máy bay dựa vào số liệu hộp đen sở lấy tín hiệu điều khiển góc nghiêng cánh lái độ cao sử dụng thuật toán đánh giá trình động học phi tuyến lý thuyết nhận dạng tham số Từ đưa sai số so với tham số chuẩn chuẩn đoán trước hỏng hóc xảy Đối tượng nghiên cứu Máy tập lái Hàng không; loại máy bay dân sự, quân Phạm vi nghiên cứu áp dụng vào nghiên cứu chuyển động điển hình máy bay không gian chuyển động dọc chu kỳ ngắn mở rộng, phát triển cho tất dạng chuyển động, chế độ chuyển động máy bay không gian ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài có ý nghĩa khoa học thực tiễn tốt Tạo tiền đề để tác giả nghiên cứu phát triển nhằm tạo thiết bị nhận biết lắp trực tiếp loại máy bay Cấu trúc luận văn Đề tài luận văn có cấu trúc sau: Mở đầu Trình bày lý chọn đề tài, mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Chương1- Tổng quan Phân tích, đánh giá công trình nghiên cứu đà có tác giả nước liên quan mật thiết đến đề tài luận văn; nêu vấn đề tồn tại; vấn đề mà đề tài luận văn cần tập trung nghiên cứu giải Chương - Cơ sở lý thuyết Trình bày sở lý thuyết, lý luận, giả thuyết khoa học phương pháp nghiên cứu đà sử dụng luận văn Chương - tính toán đặc tính khí động máy bay áp dụng lý thuyến đà trình bày chương sở liệu thu thập để tính toán đặc tính máy bay chuyển động dọc chu kỳ ngắn đưa đánh giá so với tham số chuẩn Chương kết bàn luận Kết luận Trình bày kết luận văn cách ngắn gọn Kiến nghị nghiên cứu Danh mục tài liệu tham khảo gồm tài liệu chủ yếu trích dẫn, sử dụng đề cập luận văn Phơ lơc Lêi cam ®oan víi néi dung cđa đề tài luận văn mà tác giả lựa chọn quĩ thời gian giành cho việc làm luận văn thiếu Tuy nhiên, cố gắng thân hướng dẫn tận tình chu đáo GS-TSKH Vũ Duy Quang tác giả đà hoàn thành đề luận văn Mặc dù kết nghiên cứu tính toán đạt mức độ tìm hiểu tiếp cận vấn đề tác giả xin cam đoan sản phẩm mà thân tác giả đà nỗ lực làm việc Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô Viện khí động lực - Đại học Bách Khoa Hà Nội đà quan tâm giúp đỡ tác giả trình học tập viện Đặc biệt GS TSKH Vũ Duy Quang, thầy đà nhiệt tình bảo quan tâm sát đến trình học tập trình làm luận văn tác giả Tác giả xin chân thành cảm ơn Đại tá, PGS TS Nguyễn Văn Quế Trưởng môn Cơ lý thuyết Học viện PKKQ Thầy đà tạo điều kiện mặt để tác giả học, cho tác giả ý tưởng đề luận văn giúp đỡ tác giả tận tình trình tính toán Tác giả xin chân thành cảm ơn 10 Chương Tổng quan 1.1 Phân tích, đánh giá công trình nghiên cứu đà có Trong năm qua, nước giới đà có nhiều tác giả nghiên cứu, sử dụng lý thuyết nhận dạng vào việc giải toán công trình nghiên cứu [8],[11] Các tác giả đà sử dụng cách đa dạng phương pháp kết đạt tốt, thực tiễn Tuy nhiên, ngành Kỹ thuật Hàng Không (KTHK) số tác giả sử dụng lý thuyết không nhiều, đa phần tác giả làm ngành Điện-Điều khiển thiết bị bay họ sử dụng số phương pháp như: Phương pháp đường đặt tính độ, Phương pháp bình phương nhỏ nhất, Phương pháp sai phân [11] chủ yếu để giải toán thuận Bài toán thuận xây dựng mô hình toán học (chủ yếu mô hình không liên tục-ARX, ARMAX, OEM) xử lý sở liệu đo đạc hệ thống(thiết bị), kết mô hình so sánh rút kết luận Việc nghiên cứu giải to¸n thn cã ý nghÜa thùc tiÕn rÊt lín việc mua hay chế tạo máy bay ngành KTHK, đà giảm thiểu đến mức tối đa thời gian, công sức tiền bạc 1.2 Những vấn đề tồn Mặc dù, công trình mà tác giả đà nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lín, nhng nã chØ cã ý nghÜa lín víi ngµnh KTHK việc nghiên cứu tìm hiểu, chế tạo máy bay mới; với công việc khai thác, sử dụng ý nghĩa Hơn thÕ, ngµnh KTHK ë níc ta hiƯn míi chØ giai đoạn đầu phát triển, đáp ứng tốt công việc 11 khai thác, bảo dưỡng máy bay đà có, có yêu cầu lớn đặt làm để biết sớm hỏng hóc xảy trình bay Hiện trình khai thác KTHK Việt Nam đà áp dụng nhiều phương pháp để chuẩn đoán sớm hỏng hóc phương pháp chưa thực đại, nhiều thời gian, công sức kết kiểm tra có độ xác thấp 1.3 Những vấn đề cần tập trung nghiên cứu giải Vấn đề mà đề luận văn tập trung nghiên cứu giải toán ngược Bài toán ngược không xây dựng mô hình mà dựa vào số tín hiệu điều khiển máy bay( điển hình góc nghiêng cánh lái độ cao cldc góc lệch đuôi ngang ) để nhận biết tham số khí động học (nh: m αz , m ϕz , C αy …) Căn vào giá trị nhận biết giá trị thực máy bay đánh giá trạng thái kỹ thuật máy bay tham số không đạt yêu cầu, tức hỏng hóc xảy máy bay Trong lý thuyết nhận dạng có nhiều phương pháp (Chương - 2.2) Nhưng để nhận biết tham số khí động học máy bay, tác giả đà sử dụng phương pháp nhận biết tham số dựa lý thuyết đánh giá trình động học phi tuyến với thuật toán nhận dạng (2.64) đà trình bày chương luận văn Với phương pháp nghiên cứu giải toán vậy, chua thực hoàn chỉnh, chưa thể áp dụng vào thực tế đà phần nêu sở lý luận để khắc phục tồn kể trình khai thác bảo dưỡng Máy bay 63 Bảng 3.4 t Z − 0,0056 0,069 0,0054 0,0607 0,0114 0,0592 0,007 0,0649 Ta cã: h ∧ h(x, a, u ) = α = h ω.z Sb a ρV I z ∧ α ϕ ∧ ∧ ∧ ∧ ∧ ωz m ( M ) m ( M ) m ( M ) m ( M ) m ω + + α + ϕ + ∆ z z z z c z z ∧ϕ ∧ ϕ ∧α SρV g ω z − C y ( M ).α + C y ( M ).ϕ + 2m V Đặt: Cαy (M ) = x1; C y (M ) = x2; m ωz (M ) = x3; m z (M ) = x4; m z (M ) = x5; m z (M ) =x6; z ∧ ∆ m zc =x7, ta cã: SρV g ω z − [x α + x ϕ] + h 2m V h(x, a, u ) = α = h ω.z Sb a ρV [x ω + x + x α + x ϕ + x ] z I z ∧ Tõ đó, ta tìm được: 0,007 z + 0,3108.[x α + x ϕ] − 0,0743 K= 0,0649 − 13,192.[x ω z + x + x α + x ϕ + x ] ã Giải hệ phương trình vi phân a = H.K Hệ phương trình vi ph©n: (3.19) 64 x =0 x =0 x = 0,00117.( − e −0, 0141.t ).{ 0,0649 − 13,192.[x ω z + x + x α + x ϕ + x ] } x =0 x =0 x6 = x =0 Vì x = nên x1 = const = C αy ( M) = 0,042; x =0 nªn x2=const = C ϕy ( M ) =0,01; x = nªn x4 = const = m z ( M ) =- 0,0042; x = nªn x5 = const = m αz ( M) =- 0,0025; x = nªn x6 = const = m ϕz ( M) =- 0,0135; x = nªn x7 = const = m zc =- 0,0093 Thay vào hệ phương trình ta cã : x =0 x =0 x = ( − e −0, 0141.t ).{ 0,000284 − x (0,075 + 0.000134 cos(t ) − 0,075.e −0, 0141.t ) + 0,000207 sin(t ) } x =0 x =0 x6 = x =0 (3.20) 65 ¸p dụng Matlap, ta tìm x1 = 0,042 x2= 0,01 x ≈ −2,3403 − 38.10 −4 cos(t ).e −0, 0141.t + 1,256.10 −5 sin(t ).e −0, 0141.t − 0,0036.e −0, 075.t x4 = - 0,0042 (3.21) x5 = - 0,0025 x6 = - 0,0135 x7 = -0,0093 Hay ta cã : ∧ Cαy (M ) = 0,042 ∧ϕ C y (M ) = 0,01 ∧ m ωz z ≈ −2,3403 − 38.10 −4 cos(t ).e −0, 0141.t + 1,256.10 −5 sin(t ).e −0, 0141.t − 0,0036.e −0, 075.t ∧ m z (M ) = - 0,0042 (3.22) ∧ α m z (M ) = - 0,0025 ∧ ϕ m z (M ) = - 0,0135 ∧ ∆ m zc = -0,0093 NhËn xÐt kÕt qu¶ ∧ Qua kết thu được, ta nhận thấy có gí trị m z (M ) thay đổi z theo t[0,3], a i khác không không đổi tương ứng 66 Chương Kết bàn luận 4.1 kết 4.1.1 Tính đặc tính khí động tín hiƯu ®iỊu khiĨn ϕ(t) = 100 ë chÕ ®é bay H=1120m, M= 0,45 nhiễu - Tín hiệu ®iỊu khiĨn ϕ cã d¹ng nh sau: TIN HIEU DIEU KHIEN PHI 11 10.8 10.6 10.4 Phi 10.2 10 9.8 9.6 9.4 9.2 0.5 1.5 Thoi gian t 2.5 Hình 4.1 - Giá tri Z ®o ®ỵc t Z − 1,96.10 −5 − 0,0188 − 1,9328.10 −5 − 0,0185 − 1,9059.10 −5 − 0,0183 − 1,8794.10 −5 − 0,018 67 ∧ - Kết tham số khí động a i : ∧ Cαy (M ) = 0,042 ∧ϕ C y (M ) = 0,01 ∧ m ωz z ( M ) = 1,843.e 0,21.( e −0 , 014 t −1)2 erf (0,4583.(e −0, 014.t − 1)) (4.1) ∧ m z (M ) = - 0,0042 ∧ α m z (M ) = - 0,0025 ∧ ϕ m z (M ) = - 0,0135 ∧ ∆ m zc = - 0,0093 Qua kết thu được, ta nhận thấy chØ cã gÝ trÞ cđa m ωz (M ) thay ®ỉi theo z t[0,3], víi ®å thÞ nh sau: NHAN DANG THAM SO KHI DONG X3 x3 -0.005 -0.01 x3 -0.015 -0.02 -0.025 -0.03 -0.035 -0.04 0.5 1.5 Thoi gian t H×nh 4.2 2.5 68 Qua đồ thị ta thấy, chế độ bay H=1120m; M=0,45; = 100 nhiễu m z (M ) đường thẳng t = 3s ta cã m ωz (M ) = - 0,0395 So sánh với z z giá trị thực m z z ( M ) = - 2,4, nhËn thÊy sai sè lín h¬n sai sè cho phÐp rÊt nhiều Từ kết chuẩn đoán sớm hỏng hóc xảy với hệ thống điều khiển lên xuống thông báo cho phi công biết bay với góc nghiêng không phù hợp an toàn 4.1.2 Tính đặc tính khí động tín hiệu điều khiĨn ϕ(t) = sin(t) ë chÕ ®é bay H=1120m, M= 0,45 nhiễu - Tín hiệu điều khiển ϕ TIN HIEU DIEU KHIEN PHI Phi 0.9 0.8 0.7 Phi 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.5 1.5 Thoi gian t H×nh 4.3 2.5 69 - Giá tri Z đo t Z − 0,0056 0,069 0,0054 0,0607 0,0114 0,0592 0,007 0,0649 - Kết tham số khí động a i : ∧ Cαy (M ) = 0,042 ∧ϕ C y (M ) = 0,01 ∧ m ωz z ≈ −2.3403 − 38.10 − cos(t ).e − 0, 0141.t + 1.256.10 −5 sin(t ).e − 0, 0141.t − 0,0036.e − 0, 075.t ∧ m z (M ) = - 0,0042 (4.2) ∧ α m z (M ) = - 0,0025 ∧ ϕ m z (M ) = - 0,0135 ∧ ∆ m zc = -0,0093 Qua kết thu được, ta nhận thấy có gí trị m z (M ) thay đổi theo z t[0,3], với đồ thị sau: NHAN DANG THAM SO KHI DONG X3 -2.339 X3 -2.34 -2.341 Gia tri x3 -2.342 -2.343 -2.344 -2.345 -2.346 -2.347 -2.348 0.5 1.5 Thoi gian t H×nh 4.4 2.5 70 Qua đồ thị ta thấy, chế độ bay H=1120m; M=0,45; = sin(t) không có nhiễu m z (M ) đường cong (Hình vẽ 4.2) t = 3s giá trị m ωz (M ) = z z ω 2,3393 So sánh với giá trị thực m z z ( M ) = - 2,4, nhËn thÊy sai sè nhá h¬n sai số cho phép 5% Để kiêm tra xem sai số nhỏ 5% có ổn định không, ta mở rộng thời gian quan sát đến 200s ®å thÞ sau : TINH THAM SO KHI DONG X3 -2.338 x3 -2.339 -2.34 -2.341 Gia tri x3 -2.342 -2.343 -2.344 -2.345 -2.346 -2.347 -2.348 20 40 60 80 100 120 Thoi gian t 140 160 180 200 H×nh 4.5 Qua đồ thị ta nhận thấy, chế độ tham số khí động máy bay đáp ứng yêu cầu, nghĩa tham số khí động tiệm cận với tham số chuẩn kết luận hệ thống điều máy bay hoạt động tốt Từ đưa khuyến cáo cho phi công nên lựa chọn dạng điều khiển 71 4.2 bàn luận Bài toán mà tác giả lựa chọn luận văn vấn đề mới, phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian nghiên cứu sâu Cho nên kết tính toán hạn chế chưa thực tiếp cận với thực tế Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt KTHK: Kỹ thuật hàng không Rth: Lực khí động toàn phần CRth: Hệ số lực nâng khí động Cy, Cx: Các hệ số lực nâng hệ số lực cản : Góc M: Số Mach, : Độ dÃn dài cánh c : Độ dày tương đối profil cánh : Góc mũi tện Y: Lực nâng, Q: Lực cản Z: Lực cản cạnh clx : Góc nghiêng cánh lái lên xuống clh : Góc nghiêng cánh lái hướng Cx0 : Hệ số lực cản lực nâng không : Góc trượt cạnh q: Động áp mx : Hệ số mômen ngang l : sải cánh m x ; mx clh ; mx cl : Đạo hàm hệ số mômen ngang theo góc trượt cạnh, góc lệch cánh lái hướng góc lệch cánh lái liệng Mx : Là mômen nghiêng xuất thả cánh tà, giảm tốc không đối xứng hay máy bay treo, mang không đối xứng (Mx)x: Mômen cản quay ngang (Mx)y: Mômen cản quay xoắn ba : Dây cung khí ®éng trung b×nh ( X T − X F ) : Là độ dự trữ định tâm : Là góc lệch đuôi ngang ms: Lưu lượng không khí 1s C5: Tốc độ không khí sau miệng phun động V: Tốc độ bay m: Khối lượng máy bay g: Gia tốc trọng trường H: Độ cao bay so với mặt nước biển : Góc nghiêng quĩ đạo bay so với mặt phẳng ngang x0, y0: Toạ độ trọng tâm máy bay : Góc chúc ngóc : Góc nghiêng (góc liệng) : Góc đổi hướng x, y, z : Tốc độ góc thành phần máy bay quanh tâm khối Ix, Iy, Iz: Các mômen quán tính máy bay quanh trục liên hệ : Mật độ không khí độ cao H S: Diện tích cánh m z z (M ) : Đạo hàm hệ số mô men cản quay mz (M ) : Đạo hàm hệ số mômen ổn định tĩnh dọc dọc trục mz (M) - Đạo hàm hệ số mômen tính đến ảnh hưởng góc lệch đuôi ngang mz ( M ) : Đạo hàm hƯ sè m«men däc trơc α = ∆mzc : Hệ số mômen tính ảnh hưởng thả a: Véctơ tham số phải kiểm tra x: Vectơ trạng thái đối tượng kiểm tra u: vectơ điều khiển Z: vectơ tín hiệu quan sá(kiểm tra) f, hz: hàm véc tơ x, z: vectơ nhiễu trắng với mật độ phổ Sx, Sz tương ứng k: Hệ số khuếch đại tĩnh T: Hằng số thời gian : Thêi gian trƠ xÊp xØ Θ: VÐct¬ tham sè cđa mô hình j: Là hàm biết trước NhËn xÐt cđa ngêi híng dÉn khoa häc ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………… 72 Kết luận kiến nghị Kết luận Đề tài luận văn mà tác giả lựa chọn đà giải toán ngược dựa vào thuật toán đánh giá trình động học phi tuyến lý thuyết nhận dạng để nhận dạng đặc tính khí động chuyển động dọc ngắn máy bay với tín hiệu điều khiển góc lệch đuôi ngang Từ kết đo đem so sánh với giá trị chuẩn tham sô, sai lệch nhỏ 5% ta kết luận với chế độ bay tín hiệu điều khiển phù hợp, máy bay an toàn ngược lại Kiến nghị Tiếp tục phát triển đề tài lớn hơn, đề tài tiến sĩ đề tài khoa học cấp khai thác đầy đủ tài liệu thực tế loại máy bay cụ thÓ ... Chương - tính toán đặc tính khí động máy bay áp dụng lý thuyến đà trình bày chương sở liệu thu thập để tính toán đặc tính máy bay chuyển động dọc chu kỳ ngắn đưa đánh giá so với tham số chuẩn... pháp thuật toán lý thuyết nhận dạng 45 Chương Tính toán đặc tính khí động máy bay 3.1 đặt toán 3.1.1 Dạng toán tổng quát [áp dụng 2.2.3.2 cho hệ động lực máy bay] Xét hệ động lực máy bay miêu... bay chuyển động hệ toạ độ Ox0y0z0 đứng yên tương đối so với máy bay 13 2.1.1.2 Các lực mômen khí động tác dụng vào máy bay Các lực tác dụng lên máy bay - Lực khí động toàn phần Rth Lực khí động