倾转旋翼机姿态控制问题研究

论文摘要

倾转旋翼机是一种同时具有直升机和固定翼飞机优点的新型飞行器,这种飞行器可以在狭小空间内象直升机一样垂直起降,也能够象固定翼飞机那样进行高速距离的巡航飞行。这种飞行器是一个多输入多输出的时变非线性系统,飞行控制问题非常复杂。正是由于这种飞机具有优异的性能、技术难度大,所以其研制受到各国的广泛关注。在航空航天领域,许多被控对象都是时变系统,在一般情况下,工程上使用的是经典控制理论控制,然而当被控对象参数变化量较大时,通过切换PID控制参数实现飞行器的姿态控制。本文通过模型参考自适应控制方法,实现了在短舱倾角变化时对飞行纵向姿态的控制。这种方法不需要切换控制率,同样达到了较好的控制效果。本文推导了倾转旋翼机过渡阶段和垂直起降阶段的力学模型,设计了垂直起降阶段控制策略,通过一种差动方式实现了垂直起降阶段横纵向通道的单独控制。应用经典控制理论对横滚角通道进行了仿真分析。无位置传感器无刷直流电机调速器也是本课题研究的重点,选用反电势法对电动机转子位置进行检测,通过调试和计算得到了电机最佳的换向时刻,实现了无感无刷电机稳定的高速运行。最后,本课题制作了一个倾转旋翼机的实物模型,使用陀螺仪和无感无刷电机以及微处理器通过大量的实验,基本上实现了倾转旋翼机的垂直起降的姿态控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 倾转旋翼机民用领域的应用前景
• 1.1.2 倾转旋翼机现代战争中的优势
• 1.2 倾转旋翼机的发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 自适应控制理论的发展
• 1.4 直流电动机的发展
• 1.5 课题主要研究内容
• 第2章 倾转旋翼机飞行力学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 倾转旋翼机过渡模式下飞行力学模型
• 2.2.1 刚体六自由度力学模型分析
• 2.2.2 飞行器力学模型在小角度下的线性化
• 2.3 倾转旋翼机垂直起降阶段建模分析
• 2.3.1 动力学分析
• 2.3.2 动力学模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第3章 倾转旋翼机过渡模式控制分析及仿真
• 3.1 引言
• 3.2 过渡模式下飞行力学模型的仿真分析
• 3.3 用李雅普诺夫稳定性理论设计自适应控制系统
• 3.4 应用自适应控制率的仿真及结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 垂直起降阶段控制策略及仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 倾转旋翼机姿态控制方法分析
• 4.3 模型参数估计和计算
• 4.3.1 电机模型参数估计
• 4.3.2 螺旋桨升力计算
• 4.3.3 飞行器惯性张量
• 4.4 垂直起降阶段控制参数求取
• 4.5 本章小结
• 第5章 无刷直流电机的驱动
• 5.1 引言
• 5.2 无感无刷直流电机工作原理
• 5.2.1 系统组成
• 5.2.2 无刷直流电机工作原理
• 5.2.3 应用反电势法求转子位置
• 5.3 无感无刷直流电机硬件组成
• 5.3.1 功率放大桥路
• 5.3.2 转子位置检测电路
• 5.3.3 反电势过零点仿真分析
• 5.4 无感无刷直流电机软件实现
• 5.4.1 外同步启动
• 5.4.2 定常转速运行
• 5.4.3 调速运行
• 5.4.4 滤波分压网络的相角延迟
• 5.5 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 系统联调及分析
• 6.1 引言
• 6.2 飞行器整体结构
• 6.2.1 无感无刷电机的选择
• 6.2.2 传感器选择
• 6.2.3 微处理器的选择
• 6.3 陀螺仪的调试
• 6.4 控制系统的整体结构
• 6.4.1 整体框图
• 6.4.2 主从处理器之间的通讯及其功能
• 6.4.3 控制器与外界的通讯
• 6.4.4 综合调试
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢