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平流层飞艇变质心控制研究

周革  
【摘要】:平流层飞艇是指工作在20km高度的平流层下部弱风区的大型飞艇,可作为实时监视与侦察平台和太空中转平台,在环境监测、灾难救援、通信等方面都有着极大的应用价值。 由于运行环境空气密度极低,飞行速度较小,常规飞艇的操纵机构,如气动舵面、矢量推力和副气囊在平流层飞艇的姿态控制中有所不足,因此,有必要发展一种新型操纵机构及相关控制器作为补充。本文将变质心控制方法引入到平流层飞艇的姿态控制中。首先设计了变质心机构的方案,在机体坐标系下,采用牛顿-欧拉方法建立了飞艇的动力学方程;其次,通过模型仿真,分析了滑动质量块控制姿态的内在机理和影响因素,实现了飞艇的无动力滑翔运动,并对变质心机构和舵面的姿态操纵能力进行了比较;最后,针对飞艇的俯仰运动,设计了前馈+PD的控制算法,采用了基于模糊控制器和模糊优化的两种分配算法,对控制力矩进行了分配,并对两种分配算法结果进行了仿真和比较。 研究结果表明,质量滑块位置的移动,一方面改变了飞艇系统的重心位置,从而影响了飞艇的转动惯量和重力力矩,另一方面改变了气流角,从而改变了作用飞艇上的空气力矩;滑块的操纵效率受飞行速度的影响较小,因而在低速运行时,变质心控制要好于舵面控制;设计的两种分配算法,都可以实现对姿态控制力矩的分配,基于模糊控制器的分配方法的计算时间较少,而基于模糊优化的方法可以实现能量的最优。


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