编辑荐语

本期将给大家分享“Edge computing aileron mechatronics using antiphase hysteresis Schmitt trigger for fast flutter suppression（采用反相迟滞施密特触发器快速抑制颤振的边缘计算副翼机电系统）”。

飞机纵轴两侧副翼的互补运动需要精确遵循电子驱动指令，服从机械驱动偏转。然而，干扰、后冲、迟滞等因素可能导致非线性相位偏移，引发颤振并影响飞行器的舒适性和安全性。机械和电子解决方案分别通过被动和主动方法抑制颤振。其中主动方法采用电子开关电路和控制器，更具灵活性和实用性。数字逻辑在机电系统中能够有效抑制潜在颤振，并通过自适应控制器和前馈补偿器扩展机翼颤振边界。非线性控制和迟滞控制能够处理多种干扰和非线性因素，通过优化迟滞带宽及其响应实现快速颤振抑制。基于以上研究，本文提出了边缘计算副翼机电系统（ECAM），创新性地融入数字非线性迟滞控制逻辑，利用可调参数优化控制性能，通过反相施密特触发器消除信号抖动。     

Edge computing aileron mechatronics using antiphase hysteresis Schmitt trigger for fast flutter suppression

采用反相迟滞施密特触发器快速抑制颤振的边缘计算副翼机电系统

作者：Tangwen Yin1 · Dan Huang2 · Xiaochun Zhang2,3*

机构：1 上海交通大学自动化系；2 上海交通大学航空航天学院；3 上海飞机设计研究院控制部

引用：Yin, T., Huang, D. & Zhang, X. Edge computing aileron mechatronics using antiphase hysteresis Schmitt trigger for fast flutter suppression. Control Theory Technol. 23, 153–160 (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-024-0024‍0-8‍

全文链接：‍https://rdcu.be/d8GRp

摘 要  

副翼是实现飞机滚转的重要控制面。副翼机电系统引起的任何抖动或震颤都可能对飞机的稳定性、机动性、安全性及使用寿命造成灾难性后果。本文提出了一种面向边缘计算副翼机电系统（Edge Computing Aileron Mechatronics, ECAM）的快速颤振抑制数字控制逻辑稳健解决方案。通过集成非线性功能参数和反相迟滞施密特触发器，本文的方法有效消除了被动和主动颤振响应偏差。研究结果表明，自调节非线性参数能够优化系统的稳定性、鲁棒性和精度，同时反相迟滞施密特触发器无需协同导航和制导即可有效抑制颤振。基于硬件在环仿真结果证实，该方法能够消除飞机的抖动和震颤，同时确保预期的稳定性和机动性。总之，具有施密特正反馈机制的非线性副翼机电一体化是分布式飞行控制和主动颤振抑制的高效解决方案。

引 言  

将电子技术融入机械结构已成为优化设计和集成的关键手段，有助于增强功能性和可靠性。控制对实现所需的稳定性、鲁棒性和性能至关重要。由于副翼位于飞机的纵轴两侧，右翼的副翼向一个方向移动时，左翼的副翼会同时向相反方向移动。这种互补运动应当根据电子驱动的指令进行，并遵循机械驱动的偏转。然而，由于干扰、扰动、后冲、迟滞、相位延迟、级联超调、诱导阻力及额外的偏航运动等因素，副翼指令和控制可能出现非线性相位偏移，从而导致驱动颤振，引发民用和军用飞机抖动和震颤。因此，在差动副翼机电系统中快速抑制颤振对于分布式伺服驱动装置和控制密集型飞行器的舒适性、安全性、耐久性和使用寿命至关重要。      

如何防止副翼颤振，或将其抑制到可接受的水平？机械和电子解决方案分别通过被动和主动方法实现。通常，机械解决方案以被动方法为主；而电子解决方案以主动方法为主。与通过增加结构刚度和质量平衡实现的被动方法不同，主动方法使用电子开关电路和驱动控制器。机电解决方案同时包含机械和电子技术，可在适当的机械和电子层面上利用各种信号和系统，因此更灵活且更实用。数字逻辑在机电系统中能够抑制潜在的翼型颤振。      

自适应控制器的不变增益应用于并联前馈补偿器，可以扩展机翼颤振边界。因此，轻量化机翼结构不易因速度变化、干扰及阵风而导致气弹性不稳定。采用电机电驱动的变形副翼适用于伺服驱动及可变形系统。0至60 Hz 频谱带宽内进行的气弹性分析未检测到飞行包线中的任何关键颤振不稳定性。机械和气动滚转控制方法表明，在滚转力矩系数小于 0.061 的高速飞行状态下，气动控制引起的空气动力学效率提升能够弥补其功耗。这些研究表明，副翼的机械滚转控制为滚转运动提供了基础能力。      

主飞行控制系统包含可以在主动-主动模式下正常运行的两类机电执行器。有研究设计了五种监控功能，通过执行器控制回路中的有效信号组合来提高系统的鲁棒性。利用压电执行器的机翼发动机系统主动颤振控制能够抑制气弹性不稳定。另一项研究提出了两种主动颤振抑制方法。第一种方法采用输入-输出混合，设计独立的单输入单输出控制器；第二种方法使用鲁棒控制技术，将颤振控制与引导动作解耦。这些研究表明，主动方法在抑制多种颤振类型方面具有高性价比和极大的灵活性。      

非线性控制和迟滞比较器能够应对干扰、扰动、迟滞、后冲、相位延迟、级联超调、诱导阻力及额外偏航运动，实现快速颤振抑制。在无法通过线性近似准确描述其基本动力学的系统中，非线性控制至关重要。迟滞控制可以减少超调和颤振现象。为了将控制变量的波动限制在指定的迟滞带内，需要优化迟滞带宽并保持可接受的开关频率。考虑到各种不连续性和非线性迟滞的容许控制，对于向前可达性和持续安全性具有积极意义。因此，非线性迟滞控制是一种独特的被动和主动方法。这些研究表明，非线性迟滞控制可以作为快速颤振抑制的独立方法。      

基于以上的深入研究和分析，本文提出了边缘计算副翼机电系统（ECAM）。值得注意的是，ECAM 通过两大创新方面引入了数字非线性迟滞控制逻辑。首先，非线性功能参数通过少量可调系数决定比例、积分和微分增益，实现优化的稳定性、鲁棒性和精度。其次，反相施密特触发电路消除了副翼信号的抖动，从而生成良好的指令和控制行为。本文的主要贡献如下：  

1. 本文提出使用非线性迟滞控制来构建机电副翼装置。非线性副翼机电系统通过非线性迟滞控制的参数化功能反馈，能够防止过度的副翼指令并实现令人满意的性能。  

2. 本文开发了非线性功能参数，以实现优化的控制稳定性、鲁棒性和精度。这些自调节的非线性参数能够通过少量可调系数调整比例、积分和微分增益。  

3. 本文设计了反相迟滞施密特触发器，以消除副翼信号抖动，实现精确指令和一致控制。具体来说，反相迟滞带宽的边界能够应对副翼上下控制的动态差异，不同跨度的离散控制限制保证控制变量波动处于限定的滞环带限之内。   

（原文Fig.5）数字控制逻辑

结 论  

本文提出了一种保证飞行器转向性能并保护设备的副翼颤振抑制方法。该方法独立于副翼本身既有的颤振抑制能力，并且不依赖于闭环系统的精确显式动力学，能够通过全局非线性负反馈控制组件和局部迟滞正反馈控制组件，驱动边缘计算副翼机电装置。非线性控制的优势在于能够减少对空气动力学、电动力学、结构动力学、气弹动力学以及气动或液压动力学知识的依赖；迟滞控制的优势在于能够处理噪声、干扰、扰动、迟滞、后冲、相位延迟、级联超调、诱导阻力、额外的偏航运动以及设备磨损。本文设计了非线性功能参数和反相施密特触发器，以构建边缘计算副翼机电装置及其数字控制逻辑。通过硬件在环实验及典型飞行计划验证了非线性迟滞控制方法和副翼机电装置。结果表明，该方法能够显著提升转向性能并实现快速颤振抑制。边缘计算机电系统有助于促进分布式飞行控制，同时保证功能性、可靠性和安全性。

作者介绍

Tangwen Yin, 2002年获得国防科技大学计算机科学学士学位，2008年获得上海理工大学精密仪器与机械硕士学位，2018年获得上海交通大学控制科学与工程博士学位。自2019年以来，担任上海交通大学自动化系助理教授。目前发表了超过20篇学术论文，并拥有5项发明专利。他领导了多个航空航天与机器人领域的研究项目。其研究兴趣包括飞行控制、航空电子、随机控制、调和测度、代数几何、机器人以及带电太阳粒子。

Dan Huang, 2002年获得上海交通大学热能与动力工程学士学位，2004年和2008年分别获得奥克兰大学电气与计算机工程硕士和博士学位。2009年担任奥克兰大学电气与计算机工程系讲师。自2010年以来在上海交通大学工作，目前是航空航天学院系统与信息控制方向的副教授。其研究兴趣包括系统工程、功能建模以及航空人因工程。

Xiaochun Zhang, 分别于2006年和2009年获得南京航空航天大学自动化工程学院学士和硕士学位，自2022年起在上海交通大学攻读机械工程博士学位。目前是上海飞机设计研究院的研究员，研究兴趣包括飞行控制系统设计、验证以及适航性。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.7)、EI、Scopus (CiteScore 3.1，更新于2025年4月5日)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目(2021-2024年)，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

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