傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行-推進(jìn)系統(tǒng)綜合建模與控制技術(shù)研究.pdf

1、傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)是一種介于直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間的飛行器，兼有直升機(jī)垂直起降、空中懸停和固定翼飛機(jī)高速飛行的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)雖然具備諸多優(yōu)點(diǎn)，但也帶來許多新的技術(shù)挑戰(zhàn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、縱向穩(wěn)定性差等。為了解決傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的縱向穩(wěn)定性、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及如何獲得更大飛行速度、載重量等問題，本文提出一種新型傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)：采用四臺(tái)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)與可變距螺旋槳構(gòu)成推進(jìn)系統(tǒng)，拋棄了傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)所采用的復(fù)雜周期變距機(jī)構(gòu)，可降低機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，提高系統(tǒng)的可

2、靠性和可維護(hù)性，而且可有效地避免旋翼周期變距的操縱耦合特性，同時(shí)由于對(duì)稱的動(dòng)力布局可提高系統(tǒng)縱向穩(wěn)定性，而動(dòng)力系統(tǒng)的提升，就能夠大幅度提高飛行速度和載重量。因此，傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)是一種非常有前景的飛行器。為了探討傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)的操控性能及可行性，本文針對(duì)該型飛機(jī)開展了飛行/推進(jìn)系統(tǒng)的建模、控制及試驗(yàn)技術(shù)研究：
　　(1)建立了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)綜合模型：首先針對(duì)渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，基于部件級(jí)建模方法，按照發(fā)動(dòng)機(jī)氣路順序建立了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)各部件的數(shù)

3、學(xué)模型；其次基于經(jīng)典的動(dòng)量理論和葉素理論建立了螺旋槳的空氣動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了螺旋槳受到的力、力矩以及消耗的功率，并考慮了螺旋槳在地面懸停時(shí)所產(chǎn)生的地面效應(yīng)；通過功率的供求關(guān)系將渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和螺旋槳數(shù)學(xué)模型綜合在一起，獲得了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)綜合模型，建立了綜合模型的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)求解平衡方程；最后對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)分別進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)仿真，結(jié)果表明所建立的模型是可靠有效的。
　　(2)提出了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全狀態(tài)調(diào)節(jié)計(jì)劃，并基于RT-LAB開

4、展了推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制仿真研究：首先對(duì)RT-LAB平臺(tái)的架構(gòu)、工作原理和外部接口進(jìn)行研究；其次以推進(jìn)系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，開展螺旋槳控制回路和燃油控制回路的控制律研究，提出了一種基于GSA-LSSVM推力估計(jì)器，并基于此設(shè)計(jì)了直接推力控制器；在此基礎(chǔ)上提出了基于推力閉環(huán)的調(diào)節(jié)計(jì)劃，然后設(shè)計(jì)并分析了每一個(gè)飛行狀態(tài)下的控制規(guī)律，最后建立了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，開展了渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)全狀態(tài)控制仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明調(diào)節(jié)計(jì)劃和控制律設(shè)計(jì)合理、有效，可以獲得較為理想

5、的推力控制效果。
　　(3)建立了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行了穩(wěn)定性分析：以XV-15傾轉(zhuǎn)雙旋翼機(jī)為參照，采用分體法，建立飛機(jī)各部件的空氣動(dòng)力學(xué)模型，從而求得各部件所產(chǎn)生的力和力矩；通過用于建立螺旋槳模型的葉素理論來建立旋翼的動(dòng)力學(xué)模型和旋翼揮舞角表達(dá)式，采用成熟的升力線理論建立機(jī)翼、機(jī)身、平尾和垂尾的動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)考慮了旋翼對(duì)機(jī)翼的氣動(dòng)干擾、短艙傾轉(zhuǎn)對(duì)重心和慣性矩的變化；在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)非

6、線性仿真模型，對(duì)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)各個(gè)飛行模式進(jìn)行了配平，并與NASA的GTRS模型以及XV-15實(shí)際配平結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性和合理性；最后對(duì)非線性仿真模型進(jìn)行線性化獲得狀態(tài)空間矩陣，對(duì)特征值和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了分析，進(jìn)而闡述了傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)各個(gè)飛行模式下的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上建立了新型傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)數(shù)學(xué)模型，為飛行控制研究提供了對(duì)象。
　　(4)提出了新型傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)的操縱策略和直升機(jī)模式下飛行控制律設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)

7、給定軌跡的精確跟蹤：首先，在研究傳統(tǒng)傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)飛行操縱分配的基礎(chǔ)上，提出了傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)在各飛行模式下的操縱分配策略；其次分析了非線性反演法的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，結(jié)合了非線性反演控制抗擾動(dòng)的魯棒性和PID控制抗不確定性的魯棒性特點(diǎn)，針對(duì)其直升機(jī)模式提出了一種姿態(tài)、高度和位置的積分反演控制器設(shè)計(jì)方法；最后通過給定復(fù)雜飛行軌跡仿真驗(yàn)證了飛行控制律的有效性。
　　(5)提出了兩種捷聯(lián)航姿系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法：1）研制了基于DSP和MEMS傳感器設(shè)計(jì)的低成

8、本捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，極大地減小航姿系統(tǒng)的體積、降低功耗，大大降低了成本；通過基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法大大提高了系統(tǒng)精度。最終通過仿真分析表明系統(tǒng)的精度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。2）提出了基于基準(zhǔn)參考向量反饋的航姿解算算法：分析了航姿系統(tǒng)的核心問題-陀螺儀漂移，從控制的角度提出一種通過加速度傳感器和磁阻傳感器對(duì)陀螺儀進(jìn)行修正的多傳感器數(shù)據(jù)融合算法，提高了系統(tǒng)精度，解決了陀螺儀漂移問題，給航姿系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)開辟了一條新的道路。
　

9、　(6)研制了一種傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)的飛行控制系統(tǒng)并進(jìn)行了直升機(jī)模式下的飛行驗(yàn)證：首先，在飛控電路板上集成了飛行控制計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)，完成了機(jī)載飛行控制系統(tǒng)的綜合，包括：飛控電路板、電源模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)、GPS定位接收模塊、電子調(diào)速器、高精度數(shù)字舵機(jī)、PPM信號(hào)合成模塊等；其次完成了機(jī)載飛行控制軟件和地面測(cè)控軟件的設(shè)計(jì)；最后對(duì)直升機(jī)模式進(jìn)行了復(fù)雜航跡飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明具有良好的位置控制精度，驗(yàn)證了傾轉(zhuǎn)四旋翼機(jī)飛