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飞艇动力学分析及运动控制

苗景刚  
【摘要】: 近年来,平流层定点平台概念的提出和兴起,使得飞艇这一古老飞行器又引起人们的注意。本文以中国科学院关于平流层飞艇研究的创新工程项目为依托,对该项目第一阶段某1000立方米验证飞艇进行控制系统方面的研究。 动力学模型是飞艇控制问题研究的基础。本文推导了体坐标系下描述的飞艇六自由度动力学方程和运动学方程;对飞艇受到的力和力矩(重力和浮力、气动力、推力等)进行了分析和建模;分析了附加质量对飞艇的影响,给出了风致附加质量惯性力的计算方法。 动力学模型构建以后,本文在无风、零攻角、零侧滑的标称条件下对飞艇运动方程加以线性化,同时得到满足该条件的开环控制量。在此基础上,本文分析了飞艇的运动稳定性、动态特性等,划分了飞艇扰动运动的特征模态,并揭示了它们的物理成因。 通过上述线性化方程,本文分析了飞艇在不同标称速度下的匀速回转、定速巡航和匀速爬升等性能。从分析中可以看出,飞艇的操纵性与其飞行速度关系密切。因此控制律设计中必须考虑速度对控制器产生的影响。获知上述信息的基础上,本文就飞艇运动的基本回路设计了基于反馈增益表的PID控制器,以空速为依据设计反馈增益表,良好地完成了飞艇基本回路的控制。 飞艇模型的不准确性以及飞艇运动的特殊性,决定了基于模型的控制器会遇到各种问题。因此本文采用神经网络方法进行了运动控制方面的尝试,采用DTNN神经网络辨识了飞艇航向通道,并采用神经PID网络完成了航向控制的目标。 最后,本文构建了飞艇全数字仿真平台,利用该平台,验证了上述控制律的有效性。


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