平流層飛艇的壓力控制.pdf

1、本文以我國平流層通信平臺的研究項目為背景，對項目中的飛艇的壓力控制系統(tǒng)的建模和控制問題展開了研究。 與傳統(tǒng)飛行器不同，飛艇的升力主要由氣囊中升浮氣體產(chǎn)生的浮力來提供。所以，對氣囊進行壓力控制是飛艇控制非常重要重要的一個環(huán)節(jié)。壓力控制過程涉及飛艇的安全控制、升降控制、俯仰控制等，還與飛艇的動力系統(tǒng)以及外部大氣環(huán)境和氣象條件相關(guān)，因此具有相當?shù)膹碗s性。 壓力控制系統(tǒng)的主要作用是有: (1) 外形保持。飛艇是充氣

2、的柔性體,必須通過壓力控制,使得飛艇在整個飛行過程中內(nèi)外差壓始終保持在一定范圍之內(nèi),從而保持整個飛艇的外部形狀。在飛艇上升期間,外部大氣壓強降低,相應地,應通過差壓閥門放氣保持內(nèi)外壓差一致。在飛艇下降過程中,隨著飛艇高度降低,外部壓力增加,飛艇內(nèi)部趨向負壓,需打開鼓風機充氣,維持壓差。 (2) 升力控制。飛艇的主要升力源是它所受的浮力,外形壓力保持系統(tǒng)使飛艇外形始終不變,飛艇所受浮力就主要取決于此高度的空氣密度。由于大氣密度

3、隨著高度的不同而有很大變化,因此在上升和下降過程中,為了調(diào)整飛艇的凈升力大小,需要對飛艇內(nèi)部空氣與氦氣比例加以控制。一般采用的方法是在飛艇前后各有一副氣囊,通過對各個副氣囊進行充放氣,實現(xiàn)升力控制和縱向配平控制。 作為研究壓力控制問題的基礎(chǔ)，飛艇壓力控制數(shù)學模型的建立是必要和關(guān)鍵的，這對于控制策略的制定、控制系統(tǒng)的設(shè)計都有著重要意義?？紤]到在飛艇研制的初期，缺乏實驗數(shù)據(jù)，所以本文采用機理分析的方法，在詳細分析飛艇受力情況的基

4、礎(chǔ)上，依據(jù)力學原理分別建立了飛艇的浮力模型，壓差模型和重心模型，作為研究飛艇壓力控制問題的基礎(chǔ)。 本文將飛艇的壓力控制分為兩個方面：安全性控制和配平控制。在飛艇壓力控制模型的基礎(chǔ)上，分別對安全性控制和配平控制進行了穩(wěn)定性分析。并運用實際數(shù)據(jù)進行了仿真。說明了壓力控制的可行性。 通過對飛艇壓力控制系統(tǒng)模型的分析，本文將飛艇的壓力控制問題轉(zhuǎn)換為軌跡設(shè)計問題。首先設(shè)計出了氣囊充放氣的控制律。接下來分別對理想情況、多充氦氣、