无人飞艇常规控制策略和抗风抗扰控制研究

发布时间：2020-10-15 21:38

　　 飞艇是依靠浮力和推进装置飞行的一种浮空器,相比于飞机,飞艇制造成本低廉、噪声小、续航时间长且具有一定的载重能力,由于其良好的经济适用性,在国防和经济领域有很大的应用市场,特别是对于我国疆域辽阔的复杂地形环境而言,飞艇特别适合执行勘测、通讯和运输等任务。但飞艇体积大,在大气环境中不易操控,且易受到气压、温度等环境影响,控制起来较为复杂,难以保证其安全性。为弥补这一缺点,国外飞艇的发展趋势已经从传统的仅靠浮力和舵偏控制,向多套推力矢量的结构布局过渡,国内无人飞艇对这方面的研究则较少。本文研究对象为一种新外形多矢量推力飞艇,合理设计了两种姿态控制方案,让飞艇在复杂环境下仍能保持姿态的稳定,使之很好地完成飞行任务,主要进行了以下几个方面的工作:首先对这一新外形飞艇结构进行介绍,借鉴传统飞机建模方法为该飞艇建立数学建模,以此为基础展开对控制器设计的研究;其次对飞艇在不同扰动、输入等情况下的状态响应进行仿真,分析横纵向耦合性和操纵性,基于以上分析进行多矢量推力的合理分配,设计了常规的PID控制方法,并提出了变速积分增益的控制器改进方式,一定程度上避免了快速性和超调之间的矛盾,仿真结果显示该方法具有良好的控制效果;接着考虑到飞艇飞行过程中由于气动系数偏差、风干扰等情况会带来控制偏差,而常规PID控制在干扰条件下的鲁棒性不够强的情况,采用线性自抗扰控制器对干扰项进行观测和补偿,并在气动系数随机偏差、阵风和紊乱风场三种情况下,验证了姿态控制效果,结果显示干扰增大了对俯仰角的控制难度,但自抗扰控制器能很好地抑制外部干扰,准确跟踪指令角,说明该方法在飞艇运动过程中有很好的抗风抗干扰效果。然后对于自抗扰控制器的调参问题,用灰狼优化算法进行控制器参数的优化,从超调量、能量损耗和舵偏变化速率考虑,对性能指标进行改进。与手动调参的控制器相比,用灰狼算法进行优化后,调参更加方便且控制品质有所改善,更符合实际工程需要,仿真结果验证了灰狼算法在控制器优化方面的有效性。最后一部分对全文进行了总结,提出了目前研究工作中不足的地方和需要改进的方向。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

图 1-1 LEMV 军用飞艇 图 1-2 天空登陆者号飞艇巴西在无人飞艇领域进行了一系列的研究，取得了很丰硕的成果。1998 年起，通过国家对飞艇项目的大力支持，该国的研究机构进行了许多探索，进一步完善了飞艇的数学模型，在控制方法和计算机仿真方面都有了不小的进展，研究所独立制造的 AS800 软式无人飞艇成功进行了试飞。在研究过程中，他们还尝试了许多复杂的控制方法，如模糊控制、反步法控制和 H-infinity 控制等[3]，不仅如此，在试验中还成功完成了预编程的飞行轨迹任务，实现了飞艇的定点飞行。在法国气象研究部门和 Zodiac-Espace 公司的共同合作下，研制了一种外形像双体船的飞艇 Dinozavre 用来预测天气，同时可以作为中继器进行无线电信号传输。俄罗斯的飞艇产品多以中小型为主，在 2007 年的莫斯科航展中 Au-30 型巡逻飞艇作为主要产品被推出，该飞艇采用了先进的材料和高科技电子辅助设备，在起降方式上也更加灵活，不仅可以垂直升空和降落，也可以像固定翼飞机一样

图 1-1 LEMV 军用飞艇 图 1-2 天空登陆者号飞艇巴西在无人飞艇领域进行了一系列的研究，取得了很丰硕的成果。1998 年起，通过国家对飞艇项目的大力支持，该国的研究机构进行了许多探索，进一步完善了飞艇的数学模型，在控制方法和计算机仿真方面都有了不小的进展，研究所独立制造的 AS800 软式无人飞艇成功进行了试飞。在研究过程中，他们还尝试了许多复杂的控制方法，如模糊控制、反步法控制和 H-infinity 控制等[3]，不仅如此，在试验中还成功完成了预编程的飞行轨迹任务，实现了飞艇的定点飞行。在法国气象研究部门和 Zodiac-Espace 公司的共同合作下，研制了一种外形像双体船的飞艇 Dinozavre 用来预测天气，同时可以作为中继器进行无线电信号传输。俄罗斯的飞艇产品多以中小型为主，在 2007 年的莫斯科航展中 Au-30 型巡逻飞艇作为主要产品被推出，该飞艇采用了先进的材料和高科技电子辅助设备，在起降方式上也更加灵活，不仅可以垂直升空和降落，也可以像固定翼飞机一样
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本文编号：2842281