近空间飞艇飞行运动建模与控制研究

论文摘要

进入21世纪后,近空间这个特殊领域的价值越来越受到世界各国的重视,近空间飞行器的研究也倍受关注,而平流层飞艇由于拥有诸多优点已成为国际上的研究热点。在研制平流层飞艇的诸多关键技术中,自主飞行控制系统的开发是至关重要的,并且由于其特殊的复杂性,因而也是一项具有挑战性的任务。本文对平流层飞艇所进行的研究工作主要包括以下几个方面:1.采用机理分析的方法,在详细分析飞艇受力情况的基础上,依据理论力学原理和运动参数之间的几何关系建立了飞艇的六自由度非线性运动方程,并进行了开环仿真分析;2.针对飞艇非线性强、模型参数获取困难的问题,采用了非线性自适应滑模控制,从理论上证明了它的全局渐近稳定性。通过参考水下航行器控制方案,将飞艇的控制分为侧向控制、高度控制和速度/位置控制这三个方面,采用自适应滑模控制的方法,分别为其设计了控制律,并进行了仿真验证;3.采用变结构控制方法,对飞艇在21 km高空上的水平面定点控制进行了研究。分析了平流层定向风的影响,设计了飞艇的定点控制器并进行了仿真验证;4.从军事角度分析了近太空开发的必要性和重要性,介绍了近太空平台的应用领域,并总结了平台对我国的军民领域的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国际研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 平流层飞艇需要解决的关键技术
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 飞艇的建模与仿真分析
• 2.1 飞艇结构简单介绍
• 2.2 坐标系定义
• 2.3 飞艇受力及力矩分析
• 2.3.1 附加质量计算
• 2.3.2 空气动力及其力矩
• 2.3.3 科里奥利力与离心力及其力矩
• 2.3.4 重力与浮力及其力矩
• 2.3.5 螺旋桨推力
• 2.4 飞艇动力学方程
• 2.5 运动学方程
• 2.6 仿真分析
• 2.6.1 无控制输入响应
• 2.6.2 飞艇对扰动的响应
• 2.6.3 飞艇对控制输入的响应
• 2.7 本章小结
• 第三章 飞艇的侧向控制
• 3.1 引言
• 3.2 自适应滑模控制
• 3.3 侧向运动的非线性自适应滑模控制
• 3.3.1 侧向运动模型简化
• 3.3.2 航向角的自适应滑模控制
• 3.3.3 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 飞艇的纵向控制
• 4.1 引言
• 4.2 飞艇轴向速度/位置控制
• 4.2.1 轴向速度模型
• 4.2.2 轴向滑模控制
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 飞艇飞行高度自适应滑模控制
• 4.3.1 纵向运动模型
• 4.3.2 高度控制
• 4.3.3 俯仰角自适应滑模控制
• 4.3.4 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 飞艇定点控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 滑模变结构控制
• 5.3 水平面运动模型
• 5.3.1 风的影响分析
• 5.3.2 水平面运动模型简化
• 5.4 定点控制律设计
• 5.5 仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 近空间飞艇的应用
• 6.1 引言
• 6.2 开发近太空平台的必要性
• 6.3 平流层飞艇的优势分析
• 6.3.1 平流层飞艇与卫星的比较
• 6.3.2 平流层飞艇与传统飞机的比较
• 6.4 近太空平台的应用
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文的主要创新点及贡献
• 7.2 本文的不足之处和进一步展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录