单旋翼涵道风扇式无人直升机的钟摆控制技术研究

论文摘要

单旋翼涵道风扇式无人直升机全机采用了对称布局,其重量、惯量和气动特性等都保持对称,因此使得其在飞行过程中会产生类似钟摆的机体摆动,钟摆会严重影响飞行的稳定性和侦察的准确性等性能。本文通过直升机钟摆现象的机理分析、建模、控制方法设计和仿真,对单旋翼涵道风扇式无人直升机的钟摆控制技术进行了深刻的研究。研究对象是一种采用单旋翼涵道风扇式构形的新型无人直升机,针对这种无人直升机的结构特点和试飞实验数据,提出了钟摆现象的存在性问题。分析了单旋翼涵道风扇式无人直升机的构形特点及其产生钟摆现象的机理,根据其外特性抽象出了钟摆的数学模型。基于所建立的钟摆模型,设计了消除钟摆的控制律。并制作了钟摆的物理实验平台进行钟摆现象的复现和控制律的验证。深入探讨了单旋翼涵道风扇式无人直升机的动力学原理,结合其全量方程和线性化增量方程,推导出了其钟摆模态的数学表示。介绍了无人直升机的耦合条件和采用不变性原理设计的无人直升机的解耦控制规律,实现了其解耦条件下的姿态和位置控制,然后通过控制回路方式将物理模型中的消摆控制律合理地运用到单旋翼涵道风扇式无人直升机的控制系统中。最后研究了飞行控制系统中钟摆控制技术的实现问题,其包括钟摆现象出现的判断条件、钟摆控制退出的条件以及消摆控制律和姿态控制律的合理切换;并对于钟摆的一些非线性因素进行了简单的研究。数字仿真验证了所建立的钟摆模型的正确性,消摆控制律的有效性,以及钟摆控制和姿态控制的相容性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究单旋翼涵道风扇式无人直升机钟摆现象的背景和意义
• 1.2 钟摆模型及其控制方法的特点
• 1.3 本文的研究内容和方法
• 第二章 单旋翼涵道风扇式无人直升机及其钟摆现象
• 2.1 直升机的构形研究
• 2.2 单旋翼涵道风扇式无人直升机的动力学方程
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 无人直升机的全量方程
• 2.2.2.1 全量方程组
• 2.2.2.2 力和力矩
• 2.2.3 无人直升机的线性微分方程
• 2.3 无人直升机悬停状态下的钟摆运动过程
• 2.4 总结
• 第三章 钟摆的机理及其控制
• 3.1 钟摆的描述
• 3.2 钟摆模型的建立
• 3.2.1 钟摆的结构
• 3.2.2 钟摆的数学模型
• 3.2.3 钟摆模型的线性化处理
• 3.3 钟摆模型的性能分析
• 3.4 钟摆的控制
• 3.5 钟摆物理模型的制造
• 第四章 无人直升机的钟摆控制策略及其仿真
• 4.1 单旋翼涵道风扇式无人直升机的钟摆模态分析
• 4.1.1 无人直升机的钟摆特性分析
• 4.1.2 无人直升机的姿态控制和悬停控制
• 4.1.3 悬停钟摆模态方程的建立
• 4.2 钟摆现象的控制设计
• 4.2.1 钟摆现象的控制需求和主要技术指标
• 4.2.2 消除摆动的控制特点和控制策略
• 4.2.2.1 控制特点
• 4.2.2.2 控制策略
• 4.2.3 钟摆控制
• 4.2.3.1 钟摆控制回路
• 4.2.3.2 控制参数整定及仿真
• 4.3 总结
• 第五章 无人直升机钟摆控制的实现
• 5.1 单旋翼涵道风扇式无人直升机进入钟摆状态的判断
• 5.2 钟摆控制退出的判断
• 5.3 钟摆现象全过程的数字仿真
• 5.4 钟摆控制的非线性因素
• 5.4.1 控制系统的饱和因素研究
• 5.4.2 饱和性引起的后果
• 5.4.3 抗饱和控制
• 5.5 总结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 进一步工作建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作