大柔性飞行器阵风扰动影响分析及稳定控制研究

发布时间：2020-05-27 07:29

【摘要】：大柔性飞行器是一类高空长航时飞行器,具有大展弦比机翼。其能在两万米高空之上巡航较长时间,在军事和民用范围内都能发挥重要作用,例如情报收集、侦察监视、网络中继、气象信息采集等。大柔性飞行器机翼细长、柔性程度高,在常规飞行状态下也容易发生结构变形,影响飞行器的飞行性能。所以本文对其进行结构与动力学建模、稳定性分析、运动特性分析、可控性分析、控制系统设计。首先,对传统坐标系进行修正建立刚体机身模型;采用欧拉-伯努利梁对柔性机翼建模,运用有限元的思想和Lagrange方程进行推导;引入片条假设对飞行器进行气动力建模;最后综合各部分建模推导出完整的非线性气动弹性与动力学耦合的模型。其次,对大柔性飞行器提出一套配平理论求解出各配平结果。分析在三个吊舱都存在负载情况下的时域响应。着重分析了飞行器在离散突风、连续紊流、具体风场下的阵风响应,并初步得出使飞行器稳定飞行的阵风临界值。然后,针对大柔性飞行器在中心负载超过临界值成为开环不稳定系统,并且在控制饱和约束的限制下,讨论了不同的负载、控制约束、阻尼因子、刚度条件下的零能控区域大小,采用稳定半径来定量地衡量。并设计了控制器进行初步地验证。最后,对非线性大柔性飞行器模型进行线性化与平衡截断法降阶,对比前后输出相应。针对阵风扰动下的大柔性飞行器设计基于线性二次型调节器(LQR)的模型参考自适应控制器,仿真结果表明,在阵风扰动下该控制器依然能良好地跟踪纵向指令。
【图文】：

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图 1.1 “太阳神”号无人机003 年，太阳神号无人机在进行第二次试飞 30 分钟后遭遇紊流坠毁在美军海军太。之后 NASA 的研究人员在事故报告的调查中发现：当时太阳神号无人机遭遇了扰动，机翼变形成为一个高二面角。由于二面角的存在，飞机俯仰振荡剧烈，在周期模态中变得极不稳定。飞机遇到湍流时的空速已超过了飞机设计时的空速，使得机翼板上的机翼前缘二级结构失效，，太阳能电池和机翼上表面的蒙皮撕裂。号无人机失去了升力，坠入太平洋。同时研究人员也指出了这次任务失败的根本乏足够的分析方法，导致对结构变形不正确的风险评估；2）飞机结构的变形将飞负载变成一个点负载分布，并大大减少了设计时的鲁棒性和安全性。从这次事故教训主要有对于高度柔性易变形的飞机，需要发展交叉学科的研究方法，包括动动弹性、控制方法、材料等；还需要建立多学科的模型才能描述飞机变形的非线年来，各个新兴科技领域的研究取得了突飞猛进的进步。在信息技术、工业控制，出现了先进的机载传感器、通信包、复合材料等等，使得军事上的信息对抗从空拓展到临近空间（海拔 20 千米到 100 千米）的空间范围内。由于这部分空间

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大柔性飞行器阵风扰动影响分析及稳定控制研究T 系列”无人机，由中国航天科技集团公司第十一研究院自主研制的“彩虹这将意味着中国继美国之后成为世界上第二个掌握大中型。列”无人机如下图所示。该无人机采用飞翼式布局，翼展长采用双尾翼的结构，可以有效降低飞翼式布局带来的纵向可以更有效地控制该无人机的姿态与轨迹，抵抗更强劲的种高空长航时无人机，根据飞行实验结果显示，其能够停留该系列无人机可以达到数月甚至数年的巡航时间，因其动力统设备足够可靠，理论上可以无限续航。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1

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