旋翼-涵道風(fēng)扇式無(wú)人直升機(jī)飛行控制若干問(wèn)題研究.pdf

1、研制具有新型結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)布局的先進(jìn)無(wú)人直升機(jī)是無(wú)人直升機(jī)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。采用旋翼/涵道風(fēng)扇組合升力系統(tǒng)的無(wú)人直升機(jī)具有常規(guī)單旋翼帶尾槳直升機(jī)難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn),氣動(dòng)效率高、抗風(fēng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊等,具有廣泛的應(yīng)用前景。獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)布局和操縱方式使新型無(wú)人直升機(jī)具有明顯不同于常規(guī)直升機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)特性,也為飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。本文的研究?jī)?nèi)容結(jié)合新型無(wú)人直升機(jī)預(yù)先研究工作中遇到的實(shí)際問(wèn)題展開(kāi),涉及內(nèi)容包括飛行動(dòng)力學(xué)特性分析、飛

2、行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、懸停鐘擺運(yùn)動(dòng)抑制、魯棒飛行控制、多目標(biāo)優(yōu)化控制等多個(gè)方面。
　　 論文首先分析了單旋翼涵道風(fēng)扇式無(wú)人直升機(jī)的構(gòu)型和建模特點(diǎn),基于直升機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)原理并結(jié)合風(fēng)扇/涵道機(jī)身組合吹風(fēng)試驗(yàn)建立了該新型無(wú)人直升機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)模型。進(jìn)一步,以新型無(wú)人直升機(jī)的線(xiàn)性化小擾動(dòng)模型為基礎(chǔ),通過(guò)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)分析、運(yùn)動(dòng)模態(tài)分析以及時(shí)域響應(yīng)分析研究了新型無(wú)人直升機(jī)的穩(wěn)定特性和操縱耦合特性。與常規(guī)無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行了對(duì)比,揭示了新型無(wú)人直升機(jī)所具有

3、的獨(dú)特的飛行動(dòng)力學(xué)特性,包括特有的懸停鐘擺振蕩運(yùn)動(dòng)模態(tài)、特殊的軸間耦合特性以及強(qiáng)的航向抗干擾能力等。
　　 其次,基于新型無(wú)人直升機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)和控制需求設(shè)計(jì)了解耦控制、姿態(tài)控制、速度和位置控制系統(tǒng),推導(dǎo)了懸?？刂坡勺饔孟碌拈]環(huán)系統(tǒng)模型,在此基礎(chǔ)上分析了懸停鐘擺運(yùn)動(dòng)的形成機(jī)理。研究結(jié)果指出,新型無(wú)人直升機(jī)的懸停鐘擺運(yùn)動(dòng)來(lái)自于X向和Z向子系統(tǒng)中低阻尼的振蕩運(yùn)動(dòng)模態(tài),并且當(dāng)直升機(jī)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局一定時(shí),僅依靠調(diào)整懸?？刂茀?shù)無(wú)法有

4、效抑制懸停鐘擺振蕩運(yùn)動(dòng)?；跓o(wú)人直升機(jī)懸停鐘擺運(yùn)動(dòng)與物理鐘擺在組成結(jié)構(gòu)、響應(yīng)特性、運(yùn)動(dòng)機(jī)理上的相似性,提出了通過(guò)控制無(wú)人直升機(jī)懸點(diǎn)移動(dòng)來(lái)消除懸停鐘擺運(yùn)動(dòng)的控制策略。以解耦后的姿態(tài)回路為內(nèi)回路,基于X向與Z向分離的原則采用線(xiàn)性二次最優(yōu)控制設(shè)計(jì)了新型無(wú)人直升機(jī)的消擺控制器。試驗(yàn)結(jié)果表明,消擺控制器不僅能夠有效消除新型無(wú)人直升機(jī)的懸停鐘擺振蕩運(yùn)動(dòng),而且具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
　　 接著,針對(duì)無(wú)人直升機(jī)系統(tǒng)中廣泛存在的不確定性問(wèn)題,研究了適

5、用于直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)的魯棒性設(shè)計(jì)方法。與頻率域直升機(jī)魯棒飛行控制方法主要考慮旋翼動(dòng)態(tài)等高頻未建模不確定性不同,論文結(jié)合無(wú)人直升機(jī)的飛行特點(diǎn),將系統(tǒng)中的不確定性描述為模型中穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)和操縱導(dǎo)數(shù)在有界區(qū)間內(nèi)的攝動(dòng)。針對(duì)穩(wěn)態(tài)陣風(fēng)干擾及非穩(wěn)態(tài)陣風(fēng)干擾情形,分別提出了一種基于指令跟蹤控制結(jié)構(gòu)的無(wú)人直升機(jī)魯棒跟蹤解耦控制方法和魯棒H∞/PI相結(jié)合的多回路魯棒飛行控制方法?；谝陨戏椒ǚ謩e設(shè)計(jì)了無(wú)人直升機(jī)魯棒飛行控制器。仿真結(jié)果表明,所提控制策略能

6、有效改善無(wú)人直升機(jī)的操縱品質(zhì),使無(wú)人直升機(jī)具有強(qiáng)的抑制陣風(fēng)干擾能力。所得控制器階數(shù)低、易于工程實(shí)現(xiàn)。
　　 進(jìn)一步,考慮到先進(jìn)無(wú)人直升機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)多性能指標(biāo)約束的要求,研究了一類(lèi)不確定性系統(tǒng)在風(fēng)指標(biāo)及區(qū)域極點(diǎn)共同約束下的魯棒非脆弱控制問(wèn)題。針對(duì)被控對(duì)象存在參數(shù)不確定性、控制器存在加性不確定性和乘性不確定攝動(dòng)的情形,分別以一個(gè)線(xiàn)性矩陣不等式的形式給出了同時(shí)滿(mǎn)足圓盤(pán)區(qū)域極點(diǎn)約束及干擾抑制性能指標(biāo)的魯棒非脆弱控制器的設(shè)計(jì)方法。分