双螺旋桨自适应双重控制系统设计

论文摘要

倾转旋翼机是一种新型飞行器,它具有可以垂直起飞和降落的特性。而它的巡航性能又与固定翼飞机相同。在垂直起降阶段,由于受到较强干扰的影响,系统表现出了很大的非线性,其控制方案往往是很复杂的。因此,近些年倾转旋翼机的研究一直是控制领域的一个热点。为了解决倾转旋翼机在垂直起降阶段滚动通道的控制问题,本课题引入自适应双重控制策略,并在实验室条件下对双螺旋桨装置进行控制实验。倾转旋翼机有三种不同飞行模式,即直升机模式、固定翼飞机模式和过渡模式。在各种飞行模式下包含有四种姿态控制:滚动、俯仰、偏航和升降。在本课题中,关注的重点是直升机模式下的滚动通道控制,因此需要建立双螺旋桨装置的完整模型,并从中提取出所需的滚动通道模型。自适应双重控制并不是一个新的理论,但是只有当计算量被大幅度减少时,它才能被真正应用到实际工程当中,所以对它的应用是近几年才开始的。对于传统自适应控制器,由于是基于确定性等价原则的,所以忽略了参数估计的不确定性。而谨慎控制考虑到了估值精确性的问题,但是会产生“关断”现象,并且其自适应过程是很慢的。为了弥补上述两种控制方案的缺陷,两个代价函数被引入到了自适应控制当中。一个保证了谨慎的跟随,另一个提供了足够的激励。这样,双重控制算法就完成了。在双螺旋桨滚动通道模型上对三种控制策略进行仿真实验,得到控制性能曲线。本课题选择无刷直流电动机来驱动螺旋桨。其驱动电路被设计为无位置传感器形式,它的核心是具有两路PWM输出通道和内置A/D转换器的单片机。因此,设计过程被分为两部分,即硬件设计和软件设计。转子位置判断采用的是检测反电势过零点的方法。根据被控对象的数学模型,在Simulink/RTW的环境下设计自适应双重控制器,选择期望的闭环零点、极点和控制器参数的初值。使用实时视窗目标实现控制器和实物装置硬件的连接,建立仿真环境。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 民用领域的应用
• 1.1.2 军用领域的应用
• 1.2 倾转旋翼机的发展历史
• 1.3 国内外发展现状
• 1.3.1 国外发展现状
• 1.3.2 国内发展现状
• 1.4 飞行控制的发展概况
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 倾转旋翼机飞行原理及系统模型
• 2.1 倾转旋翼机的飞行原理
• 2.1.1 直升机模式
• 2.1.2 固定翼飞行模式
• 2.1.3 过渡模式
• 2.2 实验系统的构成
• 2.3 倾转旋翼机滚动通道模型的建立
• 2.3.1 倾转旋翼机转矩特性
• 2.3.2 动力学模型
• 2.3.3 滚动通道系统模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 自适应双重控制理论及仿真
• 3.1 极点配置自适应控制
• 3.2 谨慎控制
• 3.3 直接自适应双重控制
• 3.4 仿真结果
• 3.4.1 输出曲线
• 3.4.2 控制曲线
• 3.5 本章小结
• 第4章 无刷直流电机驱动器设计
• 4.1 无位置传感器无刷直流电机的基本原理
• 4.1.1 无刷直流电机原理及其数学模型
• 4.1.2 无位置传感器反电势检测法基本原理
• 4.2 无刷直流电机驱动器硬件电路设计
• 4.2.1 单片机的输入输出
• 4.2.2 驱动桥
• 4.2.3 功率开关管驱动电路
• 4.2.4 反电势检测电路
• 4.3 无刷直流电机驱动器程序设计
• 4.3.1 外同步启动程序
• 4.3.2 转子相位判断程序
• 4.3.3 闭环运行换向程序
• 4.4 无刷直流电机驱动器调试实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于Simulink/RTW的系统调试实验
• 5.1 实时仿真系统的构建方式
• 5.1.1 xPC目标
• 5.1.2 dSPACE实时仿真系统
• 5.1.3 实时视窗目标
• 5.2 控制器S-函数的建立
• 5.3 控制器的建立及半实物仿真实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢