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平流层自治飞艇:模型、动力学和控制

刘屿  
【摘要】:鉴于平流层自治飞艇的运动特点,以及在信息、空间开发、军事和监控等领域具有广泛尚未完全开发的应用前景,从上世纪九十年代开始,平流层自治飞艇的研发再次成为国内外研究的热点,也成为各国,特别是发达大国争夺的空间资源。 平流层自治飞艇作为一类极为复杂的多自由度非线性系统,对其研发和控制策略的研究,都需要能够准确描述其内在物理机理和性能的动力学模型,然后基于此模型,方能研究飞艇各种性能和设计控制策略。本文就平流层自治飞艇的建模、动力学、运动特性和最优控制四个方面的问题进行了研究。 1.首先调研了目前国内外关于飞艇的研究现状,通过分析这些研究成果的得与失,获得了本文建立飞艇模型的突破方向。通过对飞艇各质量的定义、Kirchhoff方程、Newton-Euler理论、连续性方程、Navier-Stokes方程、机体运动方程、压块运动方程和气囊运动方程,推导出带有气囊、压块和气流影响的飞艇六自由度模型,其中模型推导方法和模型最后表达式都与“传统”建模方式有很大本质上的区别。同时,在该模型中除了包括浮力、重力、气动效应和附加量等一些常见量外,还包括有独立的气囊和压块运动方程,这将方便单独研究压块和气囊。其次,为了使建立的模型更加符合移动质量系统和悬架系统,在技术上对其实施了非线性反馈变换,得到变换后的飞艇模型。最后,为了给飞艇动力学研究、运动性能研究和控制策略设计提供便利,在保证模型准确性的前提下,作了一些合理可行的假设,从而简化了飞艇模型。 2.动力学是理论力学的一个分支学科,它主要研究作用于物体的力与物体运动的关系。研究平流层自治飞艇的动力学,其主要目的是研究飞艇压块、气囊和机体之间的力、速度和加速度等关系,以揭示飞艇系统内在本质,也将有助于系统地了解飞艇结构与功能(性能)的关系,并为飞艇结构设计和控制策略研究提供理论和实践基础。本文通过设计线性二次型调节器、压块和气囊的运动方式、非线性反馈控制器、反馈线性化动力学系统和平衡航迹分别研究了飞艇动力学、以及来流干扰对飞艇动力学性能的影响,并通过纵向平面和三维空间的仿真结果验证了理论分析的正确性。 3.研究了平流层自治飞艇自身的运动特性,根据线性化模型,对飞艇的运动稳定性和动态性能进行了讨论。运动稳定性是指当飞艇处于定常运动状态时,在没有控制输入作用条件下受瞬时小扰动后,受扰的运动参数能否自行收敛到受扰前运动状态的性能。而动态性能是指飞艇在外部输入作用下的动态响应特性。对于运动稳定性的分析,本文是从研究系统矩阵特征值入手,不仅对飞艇在不同基准运动条件下的运动稳定性做出了判断,而且还划分了飞艇扰动运动的特征模态,揭示了它们的物理成因。对于动态性能分析,则主要研究了飞艇对各个控制输入的响应特性,同时也验证了所建立模型的正确性。 4.平流层自治飞艇须具有自主飞行能力,航迹规划是实现其自动导航的一项关键技术,求解飞艇的最优航迹也即是求解飞艇最优控制的时间历程。本文利用直接配置非线性规划方法将最优控制问题转化为非线性规划问题,再利用克隆算法的搜索功能,从空间一点(起始点)到另一点(目标点)寻找一条满足制导原理、约束条件、外部环境、达到最佳飞行效果、物理上可实现、且能够优化目标函数的路径或航迹。仿真研究给出了不同情况下的研究结果,验证了本文所设计方法的有效性。


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