平流层飞艇变质心控制研究

论文摘要

平流层飞艇是指工作在20km高度的平流层下部弱风区的大型飞艇,可作为实时监视与侦察平台和太空中转平台,在环境监测、灾难救援、通信等方面都有着极大的应用价值。由于运行环境空气密度极低,飞行速度较小,常规飞艇的操纵机构,如气动舵面、矢量推力和副气囊在平流层飞艇的姿态控制中有所不足,因此,有必要发展一种新型操纵机构及相关控制器作为补充。本文将变质心控制方法引入到平流层飞艇的姿态控制中。首先设计了变质心机构的方案,在机体坐标系下,采用牛顿-欧拉方法建立了飞艇的动力学方程;其次,通过模型仿真,分析了滑动质量块控制姿态的内在机理和影响因素,实现了飞艇的无动力滑翔运动,并对变质心机构和舵面的姿态操纵能力进行了比较;最后,针对飞艇的俯仰运动,设计了前馈+PD的控制算法,采用了基于模糊控制器和模糊优化的两种分配算法,对控制力矩进行了分配,并对两种分配算法结果进行了仿真和比较。研究结果表明,质量滑块位置的移动,一方面改变了飞艇系统的重心位置,从而影响了飞艇的转动惯量和重力力矩,另一方面改变了气流角,从而改变了作用飞艇上的空气力矩;滑块的操纵效率受飞行速度的影响较小,因而在低速运行时,变质心控制要好于舵面控制;设计的两种分配算法,都可以实现对姿态控制力矩的分配,基于模糊控制器的分配方法的计算时间较少,而基于模糊优化的方法可以实现能量的最优。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 平流层飞艇简介
• 1.2 平流层飞艇的关键技术
• 1.3 平流层飞艇的操纵机构
• 1.4 变质心控制的研究现状
• 1.5 课题研究意义与主要内容
• 第二章 平流层飞艇的变质心模型
• 2.1 平流层飞艇和变质心方案
• 2.2 常用坐标系与运动方程
• 2.2.1 常用坐标系定义
• 2.2.2 飞艇运动学方程
• 2.3 飞艇变质心动力学方程
• 2.3.1 飞艇质心运动动力学方程
• 2.3.2 飞艇绕浮心转动动力学方程
• 2.4 飞艇的受力与力矩分析
• 2.4.1 重力和浮力
• 2.4.2 流体惯性力
• 2.4.3 空气动力
• 2.4.4 螺旋桨推力
• 2.5 飞艇变质心机理
• 2.6 本章小结
• 第三章 平流层飞艇变质心运动仿真
• 3.1 巡航状态仿真
• 3.2 变质心运动影响因素
• 3.3 滑翔状态仿真
• 3.4 变质心和舵面操纵能力比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 平流层飞艇的姿态控制
• 4.1 控制分配概念
• 4.2 基于模糊理论的控制分配方法
• 4.3 平流层飞艇俯仰姿态控制
• 4.3.1 控制算法环节的设计
• 4.3.2 基于模糊控制器的分配模块设计
• 4.3.3 基于模糊优化的分配模块设计
• 4.4 两种分配方法的对比
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要工作与创新点
• 5.2 后续研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 附件