超高空观测平台系统建模与仿真研究

论文摘要

超高空观测平台是一种工作于平流层,可装载一定有效载荷的能够长时间定点悬停的工作平台。该平台主要依靠浮力提供升力,因此具有定点悬停能力。超高空观测平台的工作过程包括放飞和下降阶段,定点悬停阶段;为了使超高空观测平台能够实现对地面观测、与地面进行通信等功能,须对平台进行定点悬停控制和航迹控制。本文主要针对超高空观测平台的姿态控制、定点控制和航迹控制问题,进行了如下的研究工作:首先,在几点假设的基础上,对超高空观测平台进行受力分析,运用动量和动量矩定理建立平台的六自由度非线性数学模型。然后采用小扰动线性化的方法将非线性模型线性化,得出平台的纵向和侧向平面线性化方程。然后,以平台的线性化模型为基础,采用经典控制方法对平台的俯仰角和偏航角进行控制。在平台姿态控制的基础上,对超高空观测平台悬停于平流层进行定点控制,定点悬停位置控制系统设计包括垂向位置控制设计、前向位置控制设计和侧向位置控制设计。在Matlab环境下,对平台的定点悬停控制系统进行仿真研究,验证了姿态控制器和定点控制器的有效性。最后,根据平台放飞段期望的运动轨迹,设计平台的航迹控制器使其实现轨迹的跟踪。同时由于平台在上升过程中大气环境发生变化,设计了平台的压差控制系统使平台的内外压差在一定的范围内,以保证平台的外形。在Matlab环境下,对平台的航迹控制系统进行仿真研究,验证了航迹控制器的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的
• 1.2 超高空观测平台国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外超高空观测平台的研究现状
• 1.2.2 国内超高空观测平台的研究现状
• 1.3 姿态、定点和航迹控制研究现状及存在的问题
• 1.3.1 姿态控制研究现状及存在的问题
• 1.3.2 定点控制研究现状及存在的问题
• 1.3.3 航迹控制研究现状及存在的问题
• 1.4 仿真问题研究现状
• 1.5 本文的主要工作及章节安排
• 第2章 超高空观测平台数学模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系及其转换
• 2.2.1 坐标系定义
• 2.2.2 各坐标系之间的关系
• 2.3 超高空观测平台受力分析
• 2.3.1 流体惯性力
• 2.3.2 空气动力
• 2.3.3 重力与浮力
• 2.3.4 推力
• 2.3.5 风干扰的影响
• 2.4 超高空观测平台数学模型的建立
• 2.4.1 动力学方程的建立
• 2.4.2 运动学方程的建立
• 2.5 超高空观测平台非线性模型的线性化
• 2.6 本章小结
• 第3章 超高空观测平台定点控制器设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 超高空观测平台姿态控制系统设计与仿真
• 3.2.1 俯仰角姿态控制系统设计与仿真
• 3.2.2 偏航角姿态控制系统设计与仿真
• 3.2.3 滚转角姿态控制系统设计与仿真
• 3.3 超高空观测平台位置回路控制系统设计与仿真
• 3.3.1 垂向位置回路控制系统设计与仿真
• 3.3.2 前向位置回路控制系统设计与仿真
• 3.3.3 侧向位置回路控制系统设计与仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 超高空观测平台航迹控制器设计与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 标准大气模型的建立
• 4.2.1 理想气体状态方程
• 4.2.2 标准大气模型
• 4.3 超高空观测平台放飞段压差模型的建立
• 4.4 超高空观测平台航迹控制器设计与仿真
• 4.4.1 垂向位置控制器及压差控制器的设计
• 4.4.2 前向位置控制器的设计
• 4.4.3 侧向位置控制器的设计
• 4.5 仿真结果及分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢