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一种浮力驱动的飞艇的建模与控制

吴小涛  
【摘要】:本文研究了一种不需要利用常规推进器和控制舵面的新型飞艇,该新型飞艇利用一个内部可伸缩的空气囊和可移动的质量块来驱动。可伸缩的内部空气囊用于调节新型飞艇的质量,以此改变飞艇的净浮力,从而控制飞艇的升降运动。可移动的质量块用于改变飞艇的重心位置,从而控制飞艇的姿态。由这两种控制的相互配合实现对飞艇的驱动。研究这种新型飞艇的动机在于开发一种更为节能的飞行器。本文通过牛顿欧拉方法推导了该新型飞艇的八自由度完整模型,在该数学模型清晰的体现了该飞艇机体和可移动质量块之间的相互关系。本文通过大量的开环仿真展现了该数学模型的有效性,并分析了该飞艇的一些重要基本特征。文章详细分析了飞艇在纵向平面的运动,并利用LQR、输入输出线性化俯仰角等方法来设计线性和非线性控制器。由于上述两种方法的存在不同程度的缺陷,本文重点介绍了一种利用最大反馈线性化的方法来推导一种合适的非线性控制器,系统的内部动态性能的稳定性在理论上得到了证明,并通过仿真得到了反应。在这个过程中,本文对飞艇复杂模型的四种不同程度的简化模型进行了详细的建模、分析和控制器的设计。通过分析,飞艇复杂模型在最简化的情况下被视为一个具有二自由度的系统。通过分析显示,这个二自由度系统的基本特性对于分析复杂完整系统具有重要的指导意义,并且这些基本特性是无法直接从复杂模型分析得到的。本文最后通过奇摄动的方法叠加在纵向平面和横测面的控制来提出一种针对三维空间运动的控制方法。


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