涵道式無(wú)人飛行器建模與控制方法研究.pdf

1、涵道式無(wú)人飛行器是一種特種無(wú)人飛行器，它的動(dòng)力來(lái)源于風(fēng)扇置于環(huán)形涵道內(nèi)所構(gòu)成的推力或者升力裝置。與普通固定翼及旋翼式無(wú)人飛行器相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：更緊湊的結(jié)構(gòu)，更低的氣動(dòng)噪聲，更好的使用安全性，在同樣功率相同直徑條件下，與孤立風(fēng)扇相比會(huì)產(chǎn)生更大的拉力。因此，它具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　由于涵道式無(wú)人飛行器獨(dú)特的氣動(dòng)外形，其建模和控制方法設(shè)計(jì)都面臨著諸多挑戰(zhàn)。本文針對(duì)這種涵道式無(wú)人飛行器動(dòng)力學(xué)建模復(fù)雜，模型存在嚴(yán)重的不確定性及機(jī)體

2、容易受到外界環(huán)境干擾等問(wèn)題設(shè)計(jì)了控制器。本文研究的主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　首先，文章介紹了涵道式無(wú)人飛行器的總體構(gòu)形及設(shè)計(jì)參數(shù)。綜合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合滑流理論，葉素理論及動(dòng)量理論對(duì)涵道風(fēng)扇的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了詳細(xì)的分析。采用面元法分析了舵面的偏轉(zhuǎn)角度與壓力分布的關(guān)系，再運(yùn)用剛體力學(xué)的相關(guān)知識(shí)對(duì)此無(wú)人飛行器進(jìn)行建模，得到飛行器的非線性動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，最后，運(yùn)用工作點(diǎn)附近小擾動(dòng)線性化的方法對(duì)上述方程進(jìn)行簡(jiǎn)化，給出線性化

3、的飛行器模型。
　　第二，針對(duì)涵道式無(wú)人飛行器模型存在不確定性，負(fù)載容易發(fā)生變化及容易受到外界側(cè)風(fēng)等眾多因素干擾的特點(diǎn)，分別提出了一種狀態(tài)反饋控制器和輸出反饋控制器設(shè)計(jì)方法，使飛行控制系統(tǒng)既能滿足干擾抑制指標(biāo)約束條件，又能將閉環(huán)極點(diǎn)配置到指定區(qū)域內(nèi)。并且以線性矩陣不等式的形式，給出了滿足設(shè)計(jì)要求的控制器存在條件，并進(jìn)行了穩(wěn)定性的分析與證明。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，這種控制方法對(duì)側(cè)風(fēng)干擾及負(fù)載變化具有良好的魯棒穩(wěn)定性和令人滿意的動(dòng)態(tài)性能。

4、
　　第三，由于涵道式無(wú)人飛行器的工作環(huán)境復(fù)雜，針對(duì)其可能出現(xiàn)的執(zhí)行器故障和傳感器故障方面的問(wèn)題，本文提出了一種穩(wěn)定化魯棒容錯(cuò)控制方法，使得飛行器在執(zhí)行器或傳感器發(fā)生故障僅能部分工作時(shí)，飛行器的閉環(huán)極點(diǎn)依然能限定在某一指定的區(qū)域內(nèi)，并且滿足干擾抑制指標(biāo)約束條件。以線性矩陣不等式的形式給出了控制器存在的條件并給出相關(guān)證明。數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，這種控制方法在涵道式無(wú)人飛行器工作環(huán)境劇烈變化，導(dǎo)致執(zhí)行器或傳感器發(fā)生故障時(shí)依然能夠滿足性能指

5、標(biāo)要求。
　　第四，針對(duì)飛行器模型存在的非線性不確定性，提出了一種將自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制相結(jié)合的控制方法，充分考慮了各軸之間的耦合作用，通過(guò)滑模變結(jié)構(gòu)控制使系統(tǒng)對(duì)不確定因素具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力。引入自適應(yīng)控制，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，消除系統(tǒng)參數(shù)的不確定性對(duì)控制精度的影響。同時(shí)在設(shè)計(jì)切換函數(shù)時(shí)引入跟蹤誤差的積分項(xiàng)，不需要求得跟蹤誤差的各階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，并且可以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò)合理的選取切換函數(shù)