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《上海交通大学》 2013年
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基于热力学模型的平流层飞艇升降过程复合控制

孟蒙  
【摘要】:近些年,在浮空器领域的研究中,平流层飞艇受到诸多关注,它是一种运行于大气平流层底部区域的浮空器。平流层飞艇可以作为高空监测和通讯平台,在区域大气环境监测、高分辨率实时监视和区域通信等领域有巨大的优势。 平流层飞艇上升和下降过程中经历复杂的热环境变化,研究平流层飞艇的热力学模型对飞艇升降过程有重要意义;在飞艇升降过程中,当飞行速度较低时,舵面操纵效率不足,需使用副气囊作为姿态控制的辅助执行机构,以解决平流层飞艇高空运动控制问题。 本文的研究内容主要有三个方面:一是建立了平流层飞艇的热模型,该热模型反映了平流层飞艇升降过程中外界大气与飞艇内部热交换、太阳辐射等对飞艇气囊温度、压强和体积的影响,给出飞艇净浮力在热模型影响下的表达式;二是采用副气囊作为飞艇姿态控制的执行机构,与升降舵一起对俯仰角进行复合控制,在传统加权伪逆法的基础上,提出变权增量式伪逆法,使用不同性能指标的变权方法实现控制分配优化,通过增量方式实现了执行机构主动速率约束;三是在热模型的基础上建立了平流层飞艇上升和下降方案,提出使用俯仰角控制飞艇前向速度的方法,采用链式分配方法将俯仰角与矢量推力复合,实现对飞艇前向速度控制。 研究结果表明:飞艇最大飞行高度由飞艇固有质量和最大氦气体积决定、飞艇上升速度主要影响因素为初始氦气质量。热模型参数的不同选择对飞艇上升和下降速度有影响,太阳辐射吸收率高,保持压差小可以增加上升速度,下降时则相反。采用不同优化性能指标分别设计了变权增量式伪逆控制器实现了飞艇在不同速度下的俯仰姿态复合控制并分别获得了执行机构操纵能力分配最优、能量最优和充分利用执行机构最大操纵能力的仿真结果。在平流层飞艇开环上升和下降过程中,通过俯仰角和推力之间的链式分配,实现了水平位置的准确控制,通过俯仰角控制前向速度,显著提高了飞艇的抗风能力。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:V249.1;V274

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