扇翼飞行器特性分析及控制系统研究

发布时间：2020-10-12 03:44

　　 扇翼飞行器是近期发展起来的低速大载荷飞行器。它通过在厚机翼前缘嵌入横流式风扇代替传统固定机翼,进行升力和推力的控制,其性能介于固定翼飞机和直升机之间——既拥有直升机的短距起降优势,又同时兼顾固定翼飞机的经济效益,使其在民用和军用上获得很大的发展潜力,成为近年来飞行器领域新的研究热点。而国内对于扇翼飞行器的研究刚刚起步,大多停留在飞行器结构设计方面,很少提及控制系统的设计,相关的理论研究和工程应用有待进一步深入。因此,本文主要在分析扇翼飞行器气动特性和飞行性能的基础上,建立扇翼飞行器非线性模型,并进行舵面控制、扇翼转速控制两种PID控制方案的研究,以及基于不确定干扰估计器(UDE)的控制方案研究。本文的工作对改善扇翼飞行器的飞行性能,以及飞行器的未来发展均具有重要意义。首先,建立了扇翼飞行器起飞段和空中飞行段的非线性数学模型,并进行了扇翼飞行器的特性分析。指出其与常规固定翼飞机的共性点和不同,并在此基础上,着重分析了扇翼转动产生力与力矩的影响。通过数值仿真,对比分析了扇翼飞行器各因素在加入控制律前和加入控制律后对其短距起飞性能的影响,指出良好的起飞性能需要几个因素的配合设置,为扇翼飞行器结构设计和飞行控制提供指导。其次,受推力矢量技术在飞行控制中成功应用的影响,本文在分析扇翼飞行器特性的基础上,提出扇翼转速控制系统。从空中飞行段控制系统的设计出发,分别进行了扇翼飞行器纵向控制系统和横侧向控制系统的气动舵面控制和扇翼转速控制设计,其中纵向控制系统为本文重点研究内容。通过两种控制方案的对比分析,指出扇翼转速代替气动舵面完成扇翼飞行器空中飞行段控制的可行性,以及放大扇翼转动产生的附加低头力矩对纵向扇翼转速控制系统设计的影响。然后,针对扇翼飞行器可以保持大姿态角飞行的特点,完成了飞行器起飞段和着陆段纵向控制方案的设计。并提出升降舵控制和扇翼转速控制的纵向组合控制方案,解决了纵向高度和姿态控制强耦合的问题。同时为了实现俯仰姿态的稳定控制,提出了一种基于俯仰角速率指令内回路的控制方案。并在此基础上将UDE控制方法应用到扇翼飞行器纵向控制系统中,提出带宽参数化的鲁棒姿态控制结构以及参数整定方法,通过性能对比分析,最终仿真验证UDE控制方法比组合控制具有更为优越的纵向姿态控制性能。最后,在MATLAB仿真平台下实现了扇翼飞行器的非线性仿真。通过多种模态仿真,实现了在气动舵面出现故障时,基于扇翼转速控制的应急飞行控制系统对飞行器的稳定控制,并验证了所设计的两种PID控制方案自主跟踪航迹的飞行能力。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V249.1;V27
【部分图文】：

主要追求两点：一是经济性和高效性，这是固定翼飞要起降跑道，低空低速性能好，这是直升机的特长。但是这两求较大的机场和专用跑道，低空低速适用性差，不适合在狭小纵复杂，续航时间短，有效载荷低。近年来，国内外正在探索于直升机和固定翼飞机之间的一种低速大载荷飞行器。由于扇高飞行效率、高载荷、低噪声和短距起降等优点，使其在民用优势，成为近年来飞行器领域新的研究热点。它是一种从原理翼、扑翼飞行器的新原理、新概念飞行器。器的结构特点作为一种新概念飞行器，其飞行性能介于固定翼飞机和直升机究的扇翼飞行器整体结构图。扇翼飞行器具有一个大且厚的机风扇，通过可转动的水平转子叶轮的转动来同时提供升力和推器同时具有常规固定翼飞机以及旋翼机的双重优势，使飞行器距起降的双重特性。

决问题以及它突出的飞行性能和优势，吸引了很多科学作，使扇翼飞行器的研究获得空前发展，而国内存在于科研院所及部分高校。有赖于横流式风扇的发明。1893 年，法国电气工可以根据工作需要任意配置选取，这一特性与飞的诞生奠定了重要的理论基础。1962 年，皮特·道入到固定翼飞机机翼中，通过横流式风扇的转动。并指出可以利用两侧机翼上扇翼转动的差动控动转速代替舵面控制飞行器的飞行。Dornier 的机然当时并未提供如何通过推力矢量进行飞行控制流流出的方向来实现。可惜由于当时科学发展的

南京航空航天大学博士学位论文以及优越性[22](如短距起降和大迎角不失速等)，机理，解决扇翼飞行器的基础理论问题[23]；二是mputational Fluid Dynamics, CFD)等方法优化传扇翼飞行器的系统和构型创新。国成立了一家 FanWing 公司[24-25]，并开始了一系验和试飞，为扇翼飞行器的研究提供了大量的研展使学者们不再局限于对原始模型的探究，而是改善和优化，进而获得更好的飞行效率。自此，，Kummer 等人在美国成立了 Propulsive Wing，[26]。随着 CFD 仿真技术的发展，科学家们通过，优化扇翼翼型，改善扇翼飞行器的飞行性能。努力，扇翼飞行器于 2008 年 6 月在威尔士一个国：
【参考文献】

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本文编号：2837585