傾轉旋翼機飛行-推進系統(tǒng)綜合建模與控制技術研究.pdf

1、傾轉旋翼機是一種介于直升機和固定翼飛機之間的飛行器，兼有直升機垂直起降、空中懸停和固定翼飛機高速飛行的特點與優(yōu)勢。傾轉旋翼機雖然具備諸多優(yōu)點，但也帶來許多新的技術挑戰(zhàn)：機械結構復雜、縱向穩(wěn)定性差等。為了解決傾轉旋翼機的縱向穩(wěn)定性、機械結構復雜以及如何獲得更大飛行速度、載重量等問題，本文提出一種新型傾轉四旋翼機：采用四臺渦槳發(fā)動機與可變距螺旋槳構成推進系統(tǒng)，拋棄了傳統(tǒng)傾轉旋翼機所采用的復雜周期變距機構，可降低機械結構復雜程度，提高系統(tǒng)的可

2、靠性和可維護性，而且可有效地避免旋翼周期變距的操縱耦合特性，同時由于對稱的動力布局可提高系統(tǒng)縱向穩(wěn)定性，而動力系統(tǒng)的提升，就能夠大幅度提高飛行速度和載重量。因此，傾轉四旋翼機是一種非常有前景的飛行器。為了探討傾轉四旋翼機的操控性能及可行性，本文針對該型飛機開展了飛行/推進系統(tǒng)的建模、控制及試驗技術研究：
　　(1)建立了傾轉旋翼機推進系統(tǒng)綜合模型：首先針對渦槳發(fā)動機，基于部件級建模方法，按照發(fā)動機氣路順序建立了渦槳發(fā)動機各部件的數

3、學模型；其次基于經典的動量理論和葉素理論建立了螺旋槳的空氣動力學模型，推導了螺旋槳受到的力、力矩以及消耗的功率，并考慮了螺旋槳在地面懸停時所產生的地面效應；通過功率的供求關系將渦槳發(fā)動機數學模型和螺旋槳數學模型綜合在一起，獲得了傾轉旋翼機推進系統(tǒng)綜合模型，建立了綜合模型的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)求解平衡方程；最后對推進系統(tǒng)分別進行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真，結果表明所建立的模型是可靠有效的。
　　(2)提出了渦槳發(fā)動機全狀態(tài)調節(jié)計劃，并基于RT-LAB開

4、展了推進系統(tǒng)實時控制仿真研究：首先對RT-LAB平臺的架構、工作原理和外部接口進行研究；其次以推進系統(tǒng)模型為基礎，開展螺旋槳控制回路和燃油控制回路的控制律研究，提出了一種基于GSA-LSSVM推力估計器，并基于此設計了直接推力控制器；在此基礎上提出了基于推力閉環(huán)的調節(jié)計劃，然后設計并分析了每一個飛行狀態(tài)下的控制規(guī)律，最后建立了控制系統(tǒng)的數學模型，開展了渦槳發(fā)動機全狀態(tài)控制仿真試驗，結果表明調節(jié)計劃和控制律設計合理、有效，可以獲得較為理想

5、的推力控制效果。
　　(3)建立了傾轉旋翼機數學模型并進行了穩(wěn)定性分析：以XV-15傾轉雙旋翼機為參照，采用分體法，建立飛機各部件的空氣動力學模型，從而求得各部件所產生的力和力矩；通過用于建立螺旋槳模型的葉素理論來建立旋翼的動力學模型和旋翼揮舞角表達式，采用成熟的升力線理論建立機翼、機身、平尾和垂尾的動力學模型，同時考慮了旋翼對機翼的氣動干擾、短艙傾轉對重心和慣性矩的變化；在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立傾轉旋翼機非

6、線性仿真模型，對傾轉旋翼機各個飛行模式進行了配平，并與NASA的GTRS模型以及XV-15實際配平結果進行比較，驗證了所建模型的準確性和合理性；最后對非線性仿真模型進行線性化獲得狀態(tài)空間矩陣，對特征值和傾轉旋翼機的穩(wěn)定性導數進行了分析，進而闡述了傾轉旋翼機各個飛行模式下的穩(wěn)定性。在此基礎上建立了新型傾轉四旋翼機數學模型，為飛行控制研究提供了對象。
　　(4)提出了新型傾轉四旋翼機的操縱策略和直升機模式下飛行控制律設計方法，實現(xiàn)了對

7、給定軌跡的精確跟蹤：首先，在研究傳統(tǒng)傾轉旋翼機飛行操縱分配的基礎上，提出了傾轉四旋翼機在各飛行模式下的操縱分配策略；其次分析了非線性反演法的優(yōu)點和缺陷，結合了非線性反演控制抗擾動的魯棒性和PID控制抗不確定性的魯棒性特點，針對其直升機模式提出了一種姿態(tài)、高度和位置的積分反演控制器設計方法；最后通過給定復雜飛行軌跡仿真驗證了飛行控制律的有效性。
　　(5)提出了兩種捷聯(lián)航姿系統(tǒng)設計方法：1）研制了基于DSP和MEMS傳感器設計的低成

8、本捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，極大地減小航姿系統(tǒng)的體積、降低功耗，大大降低了成本；通過基于擴展卡爾曼濾波器的多傳感器數據融合算法大大提高了系統(tǒng)精度。最終通過仿真分析表明系統(tǒng)的精度達到了設計要求。2）提出了基于基準參考向量反饋的航姿解算算法：分析了航姿系統(tǒng)的核心問題-陀螺儀漂移，從控制的角度提出一種通過加速度傳感器和磁阻傳感器對陀螺儀進行修正的多傳感器數據融合算法，提高了系統(tǒng)精度，解決了陀螺儀漂移問題，給航姿系統(tǒng)的算法設計開辟了一條新的道路。
　

9、　(6)研制了一種傾轉四旋翼機的飛行控制系統(tǒng)并進行了直升機模式下的飛行驗證：首先，在飛控電路板上集成了飛行控制計算機、慣性導航系統(tǒng)和大氣數據測量系統(tǒng)，完成了機載飛行控制系統(tǒng)的綜合，包括：飛控電路板、電源模塊、無線數據傳輸電臺、GPS定位接收模塊、電子調速器、高精度數字舵機、PPM信號合成模塊等；其次完成了機載飛行控制軟件和地面測控軟件的設計；最后對直升機模式進行了復雜航跡飛行試驗驗證，結果表明具有良好的位置控制精度，驗證了傾轉四旋翼機飛