平流层飞艇飞行控制若干问题研究
发布时间：2020-12-13 23:58
平流层飞艇是一种轻于空气、依靠浮力驻空并具有自主飞行能力的临近空间低动态浮空器。它具有滞空时间长、安全性高、经济性好、节能且环保等优点,在中继通讯、交通监测、军事侦察等领域具有诱人的应用前景。本文在平流层飞艇动力学模型的基础上,研究其飞行运动控制,具体工作内容如下:首先,为实现平流层飞艇的高度调整,研究了调节升降舵改变高度的控制策略。构造了能使高度偏差收敛的飞艇俯仰角跟踪方程,将平流层飞艇的高度控制问题转化为其俯仰角的跟踪控制问题。根据飞艇小扰动线性化后的数学模型,设计其俯仰角线性自抗扰控制器,基于极点配置原理,调节控制律参数,调整升降舵以保证跟踪期望俯仰角指令,并确保系统的稳定性。在控制作用下,飞艇俯仰角发生改变实现其高度变化并达至预期高度,解决了欠驱动平流层飞艇高度控制问题。然后,研究了平流层飞艇水平面内三自由度航迹跟踪问题。根据飞艇拉格朗日动力学方程的数学模型,设计了自适应反步滑模控制器,削弱了滑模抖动问题,保证了飞艇能够渐近跟踪指定的轨迹且提高跟踪精度。应用Lyapunov函数证明了航迹跟踪控制能实现全局渐近稳定。数值仿真结果验证了存在模型参数不确定性和外部干扰的情况下,飞艇能...
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＨＡＬＥ－Ｄ飞艇①?图１．２?ＬＥＭＶ飞艇②??
号（ＺＹ－１）”飞艇不负众望的完成了首飞测试。该飞艇长２５ｍ，气囊容积７５０ｍ３，??最大飞行高度８００ｍ，最大可飞行风速８ｍ／ｓ，最大抗风能力１２ｍ／ｓ，滞空时间长??达４ｈ，如图１．７。ＺＹ－１飞艇的飞行测试验证了临近空间飞艇在制造、导航控制等??方面的重要技术。２０１５年９月，上海交通大学在新疆马兰进行了一次低速临近??空间飞行测试，本次飞行器试飞时长达２ｈ，其飞行已进入海拔１９．３ｋｍ的临近空??间。通过此次飞行试验，验证了结构形式，飞行器构型和非常规形态升空及返??回方式的可行性。??图１．７?“致远一号”飞艇①?图１．８?“圆梦号”飞艇②??２０１５年１０月，一艘名为“圆梦号”临近空间飞艇在锡林浩特市成功完成了??飞行试验。该飞艇是北京南江空天公司联合北京航空航天大学经过数个日夜的??①图片来源：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ＿ａｅｒｏｓｐａｃｅｓｔ．ｃｏｍ／？ｐ＝９３＿??？图片来源：赵达，刘东旭，孙康文，ｅｔ?ａｌ．平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势［Ｊ］．航空??学报，２０１６，?３７（１）：４５?－?５６．??－５－??
图２．４地面坐标系与艇体坐标系间的关系??地面坐标系选取在地面某点位置，根据基坐标变换理论，可依次旋转三个??角度获得飞艇在空间的姿态，如图２．４，具体为先绕ａｊ轴方向旋转分角，轴??与０％轴分别转到轴与ｃｙ轴形成，然后绕Ｏｙ轴方向旋转角，轴??与〇２ｅ轴分别转到Ｏｒ轴与轴形成０：＾７，最后绕Ｏｒ轴方向旋转＾角，０？／轴??与０？轴分别转到轴与Ｏｓ轴形成Ｏｒｙ２，表述如下。??０ｘｅｙｅｚｅ?尺：（叻）＞?０ｘ＇ｙ＇ｚｅ?．？（）＞?Ｏｘｙ＇ｚ＇?Ｏｘｙｚ??通过上述旋转变换，可以获得方向余弦矩阵（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?Ｃｏｓｉｎｅ?Ｍａ？??ｔｒｉｘ，?ＤＣＭ），?可以?由下式给出：??Ｒｅｂ?＝?Ｒｘ（４＞）Ｒｙ（９）Ｒｚ（ｉｐ）??ｃｏｓ?８?ｃｏｓ?－０?ｃｏｓ?６?ｓｉｎ?ｘ／ｊ?—?ｓｉｎ?８??＝?ｓｉｎ?０?ｃｏｓ?ｘ＾ｓｍｃｊ）?—?ｓｉｎ?ｃｏｓ?（ｊ）?ｓｉｎ?９?ｓｉｎ?ｉｐ?ｓｉｎ?（ｊ＞?＋?ｃｏｓ?ｘｐ?ｃｏｓ?＜ｊ＞?ｃｏｓ?６?ｓｉｎ?（ｆ＞??ｓｉｎ?６?ｃｏｓ?－０?ｃｏｓ?（ｊ）?＋?ｓｉｎ?＾?ｓｉｎ?（／）?ｓｉｎ?８?ｓｉｎ?ｉｐ?ｃｏｓ?（ｊ）?—?ｃｏｓ?＾?ｓｉｎ?ｃｊ）?ｃｏｓ?６?ｃｏｓ?（ｊ）??（２．
【参考文献】：
期刊论文
[1]二阶系统线性自抗扰控制的稳定性条件[J]. 金辉宇,刘丽丽,兰维瑶. 自动化学报. 2018(09)
[2]线性自抗扰控制理论及工程应用的若干进展[J]. 陈增强,程赟,孙明玮,孙青林. 信息与控制. 2017(03)
[3]现代重载飞艇发展现状及趋势[J]. 闫峰,黄宛宁,杨燕初,祝榕辰. 科技导报. 2017(09)
[4]大气紊流下飞艇动力学建模与姿态控制[J]. 王鹤,李智斌. 空间控制技术与应用. 2017(02)
[5]自抗扰控制:研究成果总结与展望[J]. 李杰,齐晓慧,万慧,夏元清. 控制理论与应用. 2017(03)
[6]空中“巨无霸”——“留空者”10飞行器首次升空[J]. 温杰. 航空世界. 2016(10)
[7]重载飞艇旋翼式动力方案及适用性分析[J]. 王平. 中国新技术新产品. 2016(11)
[8]基于PID神经网络的平流层飞艇姿态控制研究[J]. 张一,刘龙斌. 电子设计工程. 2016(03)
[9]线性/非线性自抗扰切换控制方法研究[J]. 李杰,齐晓慧,夏元清,高志强. 自动化学报. 2016(02)
[10]平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势[J]. 赵达,刘东旭,孙康文,陶国权,祝明,武哲. 航空学报. 2016(01)
博士论文
[1]平流层飞艇动力学建模与控制方法研究[D]. 杨跃能.国防科学技术大学 2013
[2]自主飞艇的建模与控制系统设计[D]. 张燕.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]无人飞艇飞行控制系统软件设计[D]. 陈慧.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2008
[2]近空间飞艇飞行运动建模与控制研究[D]. 高明.南京航空航天大学 2008
本文编号：2915415
【文章来源】：厦门大学福建省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１?ＨＡＬＥ－Ｄ飞艇①?图１．２?ＬＥＭＶ飞艇②??
号（ＺＹ－１）”飞艇不负众望的完成了首飞测试。该飞艇长２５ｍ，气囊容积７５０ｍ３，??最大飞行高度８００ｍ，最大可飞行风速８ｍ／ｓ，最大抗风能力１２ｍ／ｓ，滞空时间长??达４ｈ，如图１．７。ＺＹ－１飞艇的飞行测试验证了临近空间飞艇在制造、导航控制等??方面的重要技术。２０１５年９月，上海交通大学在新疆马兰进行了一次低速临近??空间飞行测试，本次飞行器试飞时长达２ｈ，其飞行已进入海拔１９．３ｋｍ的临近空??间。通过此次飞行试验，验证了结构形式，飞行器构型和非常规形态升空及返??回方式的可行性。??图１．７?“致远一号”飞艇①?图１．８?“圆梦号”飞艇②??２０１５年１０月，一艘名为“圆梦号”临近空间飞艇在锡林浩特市成功完成了??飞行试验。该飞艇是北京南江空天公司联合北京航空航天大学经过数个日夜的??①图片来源：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ＿ａｅｒｏｓｐａｃｅｓｔ．ｃｏｍ／？ｐ＝９３＿??？图片来源：赵达，刘东旭，孙康文，ｅｔ?ａｌ．平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势［Ｊ］．航空??学报，２０１６，?３７（１）：４５?－?５６．??－５－??
图２．４地面坐标系与艇体坐标系间的关系??地面坐标系选取在地面某点位置，根据基坐标变换理论，可依次旋转三个??角度获得飞艇在空间的姿态，如图２．４，具体为先绕ａｊ轴方向旋转分角，轴??与０％轴分别转到轴与ｃｙ轴形成，然后绕Ｏｙ轴方向旋转角，轴??与〇２ｅ轴分别转到Ｏｒ轴与轴形成０：＾７，最后绕Ｏｒ轴方向旋转＾角，０？／轴??与０？轴分别转到轴与Ｏｓ轴形成Ｏｒｙ２，表述如下。??０ｘｅｙｅｚｅ?尺：（叻）＞?０ｘ＇ｙ＇ｚｅ?．？（）＞?Ｏｘｙ＇ｚ＇?Ｏｘｙｚ??通过上述旋转变换，可以获得方向余弦矩阵（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?Ｃｏｓｉｎｅ?Ｍａ？??ｔｒｉｘ，?ＤＣＭ），?可以?由下式给出：??Ｒｅｂ?＝?Ｒｘ（４＞）Ｒｙ（９）Ｒｚ（ｉｐ）??ｃｏｓ?８?ｃｏｓ?－０?ｃｏｓ?６?ｓｉｎ?ｘ／ｊ?—?ｓｉｎ?８??＝?ｓｉｎ?０?ｃｏｓ?ｘ＾ｓｍｃｊ）?—?ｓｉｎ?ｃｏｓ?（ｊ）?ｓｉｎ?９?ｓｉｎ?ｉｐ?ｓｉｎ?（ｊ＞?＋?ｃｏｓ?ｘｐ?ｃｏｓ?＜ｊ＞?ｃｏｓ?６?ｓｉｎ?（ｆ＞??ｓｉｎ?６?ｃｏｓ?－０?ｃｏｓ?（ｊ）?＋?ｓｉｎ?＾?ｓｉｎ?（／）?ｓｉｎ?８?ｓｉｎ?ｉｐ?ｃｏｓ?（ｊ）?—?ｃｏｓ?＾?ｓｉｎ?ｃｊ）?ｃｏｓ?６?ｃｏｓ?（ｊ）??（２．
【参考文献】：
期刊论文
[1]二阶系统线性自抗扰控制的稳定性条件[J]. 金辉宇,刘丽丽,兰维瑶. 自动化学报. 2018(09)
[2]线性自抗扰控制理论及工程应用的若干进展[J]. 陈增强,程赟,孙明玮,孙青林. 信息与控制. 2017(03)
[3]现代重载飞艇发展现状及趋势[J]. 闫峰,黄宛宁,杨燕初,祝榕辰. 科技导报. 2017(09)
[4]大气紊流下飞艇动力学建模与姿态控制[J]. 王鹤,李智斌. 空间控制技术与应用. 2017(02)
[5]自抗扰控制:研究成果总结与展望[J]. 李杰,齐晓慧,万慧,夏元清. 控制理论与应用. 2017(03)
[6]空中“巨无霸”——“留空者”10飞行器首次升空[J]. 温杰. 航空世界. 2016(10)
[7]重载飞艇旋翼式动力方案及适用性分析[J]. 王平. 中国新技术新产品. 2016(11)
[8]基于PID神经网络的平流层飞艇姿态控制研究[J]. 张一,刘龙斌. 电子设计工程. 2016(03)
[9]线性/非线性自抗扰切换控制方法研究[J]. 李杰,齐晓慧,夏元清,高志强. 自动化学报. 2016(02)
[10]平流层飞艇研制现状、技术难点及发展趋势[J]. 赵达,刘东旭,孙康文,陶国权,祝明,武哲. 航空学报. 2016(01)
博士论文
[1]平流层飞艇动力学建模与控制方法研究[D]. 杨跃能.国防科学技术大学 2013
[2]自主飞艇的建模与控制系统设计[D]. 张燕.上海交通大学 2009
硕士论文
[1]无人飞艇飞行控制系统软件设计[D]. 陈慧.中国科学院研究生院（空间科学与应用研究中心） 2008
[2]近空间飞艇飞行运动建模与控制研究[D]. 高明.南京航空航天大学 2008
本文编号：2915415
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