收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

临近空间飞艇建模与控制关键技术研究

孟新宇  
【摘要】:临近空间是在对地球外宇宙空间的不断探索中遇到的未被充分开发利用的空间领域,是航空与航天空间领域的纽带。临近空间的高度高于航空器的飞行巡航高度,但低于航天器的运行轨道高度。临近空间飞艇则是临近空间飞行器中最具军事和民用价值的空间运行装备。本文针对临近空间飞艇建模与控制的关键技术深入研究了临近空间飞艇动力学模型、热力学模型,并分析了其流体力学特性;结合飞艇弹性颤振实验数据运用先进辨识方法做了相应的系统辨识研究;在具有一定的外部干扰情况下,研究提出相应的控制方法,对临近空间飞艇悬停稳定和航迹跟踪进行控制,通过数字仿真以及半物理仿真验证了控制方法的有效性。针对这些建模与控制关键技术的研究,可以为临近空间飞艇的设计研制提供技术支持,同时也可以为大型航天器的建模和控制提供参考。首先,研究分析了临近空间飞艇动力学模型、热力学模型以及流体力学特性。在建立数学模型方面,从流体力学的观点考虑到飞艇表面因空气的粘性而产生的边界层,必须考虑空气的粘性。从空气动力学角度而言,飞艇软式结构会影响它的气动力和力矩,从而具有特殊的飞行特性。为了使得飞艇动力学模型的建立容易实现,统一整合飞行动力学、结构动力学、空气静力学和空气动力学,从而使得建立的理论模型可以用来执行飞艇的动态仿真和气动弹性稳定性分析。针对飞艇既存在弹性形变同时又具有刚体运动的特点,运用势流和空气动力学理论,研究了飞艇气动力和弹性形变之间的耦合情况,同时从飞行动力学、静力学、结构动力学等方面进行讨论,建立了临近空间飞艇动力学模型。其次,临近空间飞艇由于结构的特殊性,存在弹性形变的振动特性,将频响函数估计方法应用于弹性振动结构的模态参数辨识之中,为频响函数的直接使用提供准确表达式,深入研究频响函数估计的非参数辨识法。在暂态项存在的前提下,联合频响函数、暂态项参数和脉冲响应系数,将频响函数辨识过程转化为线性最小二乘优化问题。根据此优化问题的特殊结构,提出利用可分离的步骤来实现频响函数估计,在离散傅里叶变换中,考虑初始和终端状态带来的暂态泄露项和观测噪声谱项对频响函数估计的影响。运用非参数辨识算法结合某型飞艇的试飞弹性颤振数据进行了仿真运算,验证了辨识方法的有效性。然后,研究提出了一种适用于飞艇悬停稳定控制问题的新方法,设计稳定飞艇悬停飞行的逆向控制策略,使其对于扰动(风和湍流)和对抗不匹配的动力学是鲁棒的。针对系统具有控制时滞的特性,采用连续状态变换思想,将具有时滞的控制系统转化为无时滞的控制系统,再利用无时滞控制系统使得性能指标最小的解去求原系统的状态函数,进而得到时滞反馈控制与状态变换后最优控制之间的关系,求出最优时滞反馈控制的增益,最后进行了仿真验证。线性反馈饱和函数的非线性组合确保饱和状态下的全局稳定执行器限制的问题对于这种欠激励系统是基础性的,从而构建控制策略来处理飞艇横向失效的问题,以使飞艇沿着从当前状态到期望状态的给定参考航迹,从而减少对侧向力的需要。最后,针对临近空间飞艇航迹跟踪需求,研究提出了一种基于互质因子摄动系统的非脆弱控制方法,对系统的鲁棒稳定性、对摄动的灵敏度及非脆弱性进行讨论,工程上要求系统应有良好的干扰抑制能力,而灵敏度正反映了系统对干扰的敏感性。论文研究了被控对象和控制器均存在不确定时闭环系统鲁棒稳定性和非脆弱控制问题,分别讨论了左互质因子摄动和右互质因子摄动情况下反馈系统的非脆弱鲁棒稳定性和性能敏感性问题,并给出了相应条件下系统非脆弱鲁棒稳定的充分条件,最后给出了两种情况下系统非脆弱鲁棒稳定性之间的关系。飞艇的非线性动力学和运动学建模以状态空间表示的形式重新导出和重新排列,运用数学仿真模拟了轨迹跟踪控制器的性能,它跟踪给定的参考轨迹和状态变量,显示出轨迹跟踪误差足够小,具有良好的跟踪性能。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 何阳;盛峥;展恩泽;陈鑫涛;彭明旭;张博宇;刘珏;;自主合作探究式方法在大学生科技竞赛的应用——临近空间气象大球探测数据的首次分析[J];课程教育研究;2017年09期
2 刘晓慧;聂万胜;;反临近空间高速机动目标策略研究[J];兵器装备工程学报;2017年01期
3 ;动态[J];科学中国人;2017年27期
4 李怡勇;李小将;杨凡德;;临近空间装备发展若干问题研究[J];装备学院学报;2013年06期
5 黄华;刘毅;赵增亮;姚志刚;;临近空间环境对高速飞行器影响分析与仿真研究[J];系统仿真学报;2013年09期
6 李海林;吴德伟;;临近空间乘波体飞行器弹跳瞬间特性研究[J];导弹与航天运载技术;2012年03期
7 叶锋;郭宜忠;郑国杰;;临近空间预警平台防空反导作战运用问题初探[J];航天电子对抗;2012年03期
8 郑国梁;;关于临近空间的法律定位及应对措施[J];国防;2010年07期
9 杨凡德;杨维东;;临近空间系统效能分析研究[J];装备指挥技术学院学报;2008年03期
10 肖厚地;刘龙斌;吕明云;;X型尾翼临近空间飞艇隐身特性仿真[J];北京航空航天大学学报;2015年01期
11 兰顺正;;物美价廉的临近空间长航时平台[J];太空探索;2018年01期
12 赵晓东;王俐莉;熊艳晔;;云理论的临近空间系统效能评估[J];四川兵工学报;2014年11期
13 李静;;临近空间飞艇全数字仿真设计与实现[J];航空电子技术;2013年04期
14 施春强;郭道省;;一种新的临近空间通信信道模型及其仿真分析[J];电讯技术;2012年05期
15 薛永江;李体方;;改进灰色层次效能法在临近空间平台效能评估中的应用研究[J];航天制造技术;2010年06期
16 杨秉;杨健;李小将;赵云祎;;临近空间飞艇运行环境及其影响[J];航天器环境工程;2008年06期
17 颜慧;;被遗漏的战场——临近空间[J];课外语文(初中);2009年06期
18 陈兢;辜璐;;不一样的新兵——美国研制[临近空间]飞行器[J];兵器知识;2005年06期
19 张凯华;蒋祎;廖俊;;临近空间慢速飞行器载荷概述[J];航天返回与遥感;2017年06期
20 张俊韬;侯中喜;柳兆伟;麻震宇;;临近空间飞艇内部自然对流的流场特征仿真[J];国防科技大学学报;2015年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 沙孝鸣;田天;赵文斌;李汇军;;临近空间风场地基联合组网探测[A];国家安全地球物理丛书(十四)——资源·环境与地球物理[C];2018年
2 陈伟芳;郑剑;刘靖;石于中;;临近空间稀薄与近连续流动数值计算方法研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
3 吴健;;临近空间天气及其应用需求[A];中国地球物理学会第二十三届年会论文集[C];2007年
4 胡雄;龚建村;孙东松;艾勇;徐轻尘;肖存英;吴小成;涂翠;闫召爱;;临近空间环境野外科学考察活动介绍[A];中国空间科学学会空间物理学专业委员会第十五届全国日地空间物理学研讨会摘要集[C];2013年
5 陈琦;彭疆;漆光东;;临近空间飞艇用太阳能电池的选型研究[A];探索 创新 交流——第五届中国航空学会青年科技论坛文集(第5集)[C];2012年
6 黄宛宁;李智斌;张晓军;周江华;;基于浮空器平台的临近空间骨干网络构想[A];第四届高分辨率对地观测学术年会论文集[C];2017年
7 胡雄;龚建村;窦贤康;孙东松;艾勇;陈洪滨;杜利明;龚顺生;;临近空间大气探测示范站介绍[A];第十二届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2007年
8 林鑫;黄一;刘良玉;陈磊磊;邵晓龙;;适合临近空间通信的地面站天线设计[A];2017年全国天线年会论文集(下册)[C];2017年
9 孟祥;潘璠;孙必慎;;机载临近空间目标光电探测系统技术研究[A];黑龙江、江苏、山东、河南、江西 五省光学(激光)联合学术‘13年会论文(摘要)集[C];2013年
10 迟泽晨;李长文;王健;;临近空间导弹最优机动突防控制策略研究[A];第二届中国空天安全会议论文集[C];2017年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孟新宇;临近空间飞艇建模与控制关键技术研究[D];南京航空航天大学;2017年
2 邓潘;地基激光雷达对临近空间大气的探测研究[D];中国科学技术大学;2018年
3 肖存英;临近空间大气动力学特性研究[D];中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心);2009年
4 梁国龙;多谱段临近空间目标探测系统的研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2011年
5 关卓威;基于临近空间平台的立体信息获取及可视化技术研究[D];哈尔滨工业大学;2014年
6 杨钧烽;中纬度临近空间大气风场变化特性研究[D];中国科学院国家空间科学中心;2016年
7 韩燕;临近空间车载测风激光雷达系统设计研制与风场观测[D];中国科学技术大学;2016年
8 彭长艳;空间网络安全关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
9 李小建;临近空间浮空器热—结构耦合数值模拟研究[D];南京航空航天大学;2013年
10 陈声麒;飞艇推进系统参数优化匹配与验证方法研究[D];西北工业大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 杨源;临近空间拦截器末制导及控制问题研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
2 郭岗岗;临近空间艇载声波测风技术[D];中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心);2018年
3 曹宇彬;临近空间强机动目标定位跟踪算法研究[D];东北大学;2015年
4 贾会;基于临近空间平台的地面目标定位跟踪算法研究[D];东北大学;2015年
5 刘宁;临近空间毫米波高速通信关键技术研究[D];电子科技大学;2018年
6 刘涛;临近空间大气风场统计预报方法研究[D];中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心);2017年
7 徐旺;临近空间高超声速条件下雷达目标辨识的研究[D];北京交通大学;2017年
8 李海涛;地基分布式组网探测临近空间目标定位方法研究[D];电子科技大学;2017年
9 孙倩;临近空间自适应组网关键技术的研究[D];电子科技大学;2014年
10 何夏;基于临近空间组网节点的伪卫星导航关键技术研究[D];电子科技大学;2014年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 王鹏 程健 张梦 空军工程大学;临近空间成为各国悉心经营的战略新高地[N];中国青年报;2015年
2 本报记者 赵飞鹏;临近空间,一块被遗漏的战场[N];中国青年报;2007年
3 本报记者 焦静波;探索临近空间成为航空航天新热点[N];中国航空报;2016年
4 本报记者 王帆 戴春晨;专访光启刘若鹏:探索临近空间大有可为[N];21世纪经济报道;2016年
5 孙婧 记者 付毅飞;我国首款大型太阳能无人机完成临近空间飞行[N];科技日报;2017年
6 本报记者 张保淑;临近空间升起“中国彩虹”[N];人民日报海外版;2017年
7 欧家骏 本报记者 付毅飞;临近空间无人机:飞翔在“第三极”的精灵[N];科技日报;2017年
8 实习生 苏琬茜 中国青年报·中青在线记者 邱晨辉;未来跨大洋飞行只要两小时?[N];中国青年报;2017年
9 李庆 任雪皎;临近空间创新发展与开发应用高峰论坛在京召开[N];中国工业报;2017年
10 记者 党文婷 严圣禾;临近空间载人技术新突破[N];光明日报;2016年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978