变结构垂直起降飞行器自抗扰姿态控制研究

发布时间：2020-03-24 04:01

【摘要】：垂直起降飞行器是一种同时具有固定翼飞机和直升飞机二者各自优点的新型飞行器,可以实现垂直起降、空中悬停、高速大航程飞行,有着巨大的研究价值和发展潜力。本文介绍了一种新型的变结构垂直起降飞行器,对其结构组成和工作原理进行了说明,并指出了飞行器控制的最大难点:飞行器动力学模型在工作过程中会发生很大的改变,对控制器设计提出很高的要求。针对上述情况,本文在对变结构垂直起降飞行器动力学模型进行介绍的基础上,研究了飞行器工作过程中三个模态——垂直起降模式、固定翼模式、模式转换过程的姿态控制问题,采用自抗扰控制技术分别设计了控制器。基于飞行器动力学模型,对垂直起降模式下的姿态控制问题进行分析,明确了飞行器的主要动力和控制目标。通过设计跟踪微分器、扩张状态观测器、状态误差反馈、控制量解耦器等组成部分构建了自抗扰姿态控制器。通过仿真结果的对比分析验证了所提方法在平稳性、快速性、鲁棒性和算法操作简易程度等方面具备的优势。基于变结构垂直起降飞行器的动力学模型,分析了固定翼模式下的姿态控制问题,明确了飞行器的主要动力和控制目标。采用自抗扰控制方法设计姿态控制器,分别考虑前飞速度和姿态角并给出了各自控制回路的设计方法,通过控制量解耦器得到了执行机构的控制指令,用于飞行器姿态的控制。仿真结果的对比分析验证了所设计的控制器在平稳性、快速性、抗干扰能力和鲁棒性等方面的先进性。对飞行器模式转换过程中的姿态控制问题进行分析,将转换过程分为两个阶段并设计出各阶段的飞行器操纵方案。根据模式转换过程发动机推力倾角的变化给出两个阶段的自抗扰姿态控制算法,针对算法切换时因为控制目标改变而带来的执行机构控制指令变化过大的问题对控制器输出进行过渡,使系统能够保持稳定。仿真结果表明所设计的自抗扰姿态控制器能够使飞行器平稳地完成模式转换。
【图文】：

鱼鹰,倾转

ＸＶ－３的成功引起了多方的关注，，１９７３年美国航空航天局与贝尔公司签订，资助其进行ＸＶ－１５倾转翼机的研发工作Ｗ。历时四年，第一架ＸＶ－１５于１９成功试飞，完成了旋翼倾转全过程的试验。ＸＶ－１５取得了许多具有突破性的，短距起降时最大载重为６８００千克，可以实现空中悬停，前飞速度达到５米每小时，并能够进行后退飞行。从ＸＶ－３到ＸＶ－１５这一系列的研究为倾转的发展积累了大量的设计经验和实验方法，也促使了邋Ｖ－２２倾转翼机的诞生１９８３年，由美国海军投资，贝尔公司和波音公司联合开始了邋Ｖ－２２倾转研制。１９８９年３月Ｖ－２２倾转翼机成功试飞，并于同年９月完成模式转换。Ｖ－转翼机短距起飞时最大负重为２７４００千克，最大外挂质量为６８００千克，最航速度为６３８千米每小时，满载飞行航程为３３３６千米。性能上的大幅度提引了美国军方的目光，空军、海军、海军陆战队等军种纷纷发出订单，并速度、航程、运载能力等方面的不同需求提出了各自的设计要求。丨９９０年政府开始对Ｖ－２２倾转翼机进行试验，测试地点包括军事机场、野外地区、船舶、受限区域等，测试项目有起飞着陆、海上飞行、夜间飞行、低空飞中加油、人员和货物运输等等。在经过长时间的测试、验证之后，Ｖ－２２倾转于２００６年正式在美国空军列装服役，即著名的“鱼鹰”战机。逡逑

飞行器,垂直起降,变结构,操纵舵

１．１．２邋—种新型垂直起降飞行器一一变结构垂直起降飞行器逡逑变结构垂直起降飞行器［５］是一种采用可以改变推力三要素的新型矢量推进逡逑技术的飞行器，具有垂直起降和高速大航程飞行能力，如图１．３所示。飞行器采逡逑用飞翼气动布局机身；四个发动机通过变结构装置与飞行器相连，对称分布于两逡逑侧，为其提供推动力；变结构装置通过改变发动机的推力方向和作用点以实现飞逡逑行模式（垂直起降模式、固定翼模式）的转换；每个机翼均配有操纵舵面来控制逡逑飞行器姿态。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1

【参考文献】