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119210字博士毕业论文涵道无人机建模与控制方法研究

论文类型:博士毕业论文
论文字数:119210字
论点:飞行器,控制,方程
论文概述:

本文是优秀博士论文,针对涵道式无人飞行器模型存在不确定性,设计了状态反馈控制器使飞行控制系统既能满足干扰抑制指标约束条件,又能将闭环极点配置到指定区域内。

论文正文:

第一章导言

无人飞行器在应对放射性危害和危险方面也优于载人飞行器。如果任务失败,使用无人驾驶飞行器可以降低机组人员在高风险环境中死亡的风险。1948年,美国空陆军认定核武器爆炸造成的放射性污染是可控的,因此在核武器爆炸后几分钟内飞入蘑菇云采集样本的工作由载人飞机进行。然而,事实证明,这些飞行员都死于难以控制的辐射。可以看出,这是一项典型的放射性入侵任务。核武器放射性沉降物的载人收集一直持续到1990年代,当时无人驾驶飞行器被用于这一领域。另一个例子是1982年在黎巴嫩贝卡谷地的战斗,无人驾驶飞机在以色列军队中发挥了重要作用。与固定翼无人机相比,导管式无飞行器可以垂直起降,起降时对场地要求低。此外,它体积小,重量轻,具有较好的灵活性和可操作性。同时,涵道无人机可以悬停、低速飞行、大角度机动等。,这更有利于他们对周围环境的侦察,能够适应包括城市和山区在内的复杂环境,执行更复杂的任务,能够更接近目标,并且定位更准确。
……

第2章涵道无人飞行器的动态分析

2.1简介
涵道无人机的动态建模是其控制系统设计的前提。只有合理的建模才能保证控制系统设计的可靠性。管道式无人飞行器的建模包括飞行器各部分的粒子动力学方程空空气动力学方程和飞行器的运动学方程。其中,人体坐标系中的动力学和运动学方程是由相对成熟的牛顿力学建立的。飞机各部分的空空气动力学方程难以精确建模,这是对这种飞机建模的难点。本章首先简要介绍了管道式无人机的结构和工作原理。然后对其各部件进行空气动分析,建立非线性全动力学和运动学方程。针对悬停无人机非线性效应不明显的特点,将悬停无人机非线性方程线性化,在悬停工作点附近扰动小。

2.2管道式无人驾驶飞行器的描述
风扇被放置在环形管道中,以形成飞行器的推力或升力装置,这使得飞行器与传统直升机显著不同。与普通直升机相比,这种结构更安全,噪音更低,隐蔽性更好,由于涵洞的存在,螺旋桨下方的气流更加集中,方向更加明确,螺旋桨边缘的涡流损失更小,螺旋桨提供升力的效率更高。由于螺旋桨的吸力作用,空空气在管道唇缘产生旁通流,为管道提供额外的拉力。该无人机系统由三个子系统组成:涵道无人机、任务载荷、保障维护和辅助设备。导管式无人飞行器由螺旋桨、导管、起落架、操纵面、发动机、油箱、传动装置、上下载荷舱、电子设备等组成。每个组件的具体内部结构和功能如图2-3所示。

第3章飞机悬停状态??h∞D控制............................38
3.1导言...........................................38[/比尔/] 3.2涵道无人机的不确定性分析...................38[/比尔/]第4章................................74
4.1导言.............................74
飞机执行机构故障的4.2 D稳定H∞鲁棒容错控制................................74
第5章跟踪控制..............................94
飞机大角度机动介绍.............................................94
5.2飞机非线性模型的跟踪控制……94

第5章飞机大角度机动的跟踪控制

5.1简介
本章采用自适应控制和滑模变结构控制相结合的控制方法[130-137]来跟踪飞机的姿态。充分考虑了轴之间的耦合效应,滑模变结构控制使系统对不确定因素具有很强的鲁棒性和抗干扰能力。引入自适应控制,在线辨识系统参数,实时调整控制器参数,消除系统参数不确定性对控制精度的影响。同时,在切换函数的设计中引入了跟踪误差的积分项,有效地抑制了干扰飞行器姿态跟踪引起的稳态误差。通过设计合理的趋近律,可以保证趋近速度,降低系统抖振。

5.2飞机非线性模型的跟踪控制
滑模变结构控制的切换功能??的导数满足的条件是趋近律。对于滑模变结构控制系统,其控制器的质量主要受抖振的限制。由于变结构控制的原理是在滑模切换面之间切换控制系统,所以系统在滑模面附近将保持稳定。实际系统会有一定的滞后,系统会由于惯性而通过滑动面。这样,控制系统会在滑模面附近产生高频抖振,不利于控制系统的应用,可能会激发系统未建模的高频不确定性,影响系统的稳定性。因此,抑制系统抖振是滑模变结构控制的一个重要问题。滑动面[38的到达规律设计合理,使得系统在远离滑动面时能够快速到达状态,切换滑动面的速度尽可能小,同时切换功能尽可能平滑。该系统不仅能保持快速性,还能有效降低控制信号输出的抖振。
……

结束

本文结合项目的工程背景,研究了飞行控制系统中遇到的实际问题。其主要创新和学术成就包括:
1。在查阅国内外文献的基础上,结合滑流理论、叶素理论和动量理论,详细分析了涵道转子的动态特性。用面板法分析了控制面偏转角与压力分布的关系。利用刚体力学的相关知识对无人机进行建模,得到无人机的非线性动力学方程和运动学方程。利用工作点附近的小扰动线性化方法简化了上述方程,并给出了线性化后的飞机模型。
2。鉴于涵道无人机模型的不确定性,其载荷容易变化,容易受到外界侧风等多种因素的干扰。首先,设计状态反馈控制器,使飞行控制系统不仅满足干扰抑制指标的约束条件,而且可以将闭环极点配置到指定区域。此外,以线性矩阵不等式的形式给出了满足设计要求的控制器的存在条件,并对其稳定性进行了分析和证明。然后设计输出反馈控制器,解决飞行器状态不完全可观测或观测器设计复杂的问题。数值仿真实验表明,该控制方法对侧风干扰和载荷变化具有良好的鲁棒稳定性和令人满意的动态性能。
……

参考文献(省略)