平流层飞艇的升降控制与水平面轨迹优化

摘要

平流层飞艇是一种轻于空气的临近空间低速飞行器，因为它具备全天候工作、高安全性、超长续航时间等特点，在通讯、监测、勘探和运输等方面拥有其他飞行器无可比拟的功能优势。平流层飞艇广泛的应用前景越来越受到世界各国的关注，飞艇技术已成为飞行器研究领域中一个前沿和热门的研究方向。
　　本文在对平流层飞艇的热力耦合模型进行了深入的研究和建立高保真模型的基础上，结合当前国内外研究现状，提出两种具有独特性的控制方案。两种方案均统一设计了控制压差的环控系统和控制速度的飞控系统，实现了平流层飞艇升降过程中压差和速度的协调控制，确保飞艇安全、平稳和快速地升降。第一种控制方案基于矢推和吸排气协调控制压差和速度。此方案优先考虑压差控制，根据当前内外压差，通过不完全微分控制算法设计压差控制器控制当前吸排气量，保证飞艇内外压差始终处于安全范围内;再根据飞艇当前吸排气量、高度和速度等信息量，通过极点配置法设计速度控制器控制矢推装置产生相应的推力，辅助控制升降速度，使升降速度按照预先设计的参考轨迹变化，实现飞艇升降过程的压差和速度相互协调控制。第二种控制方案则基于抛物和吸排气协调控制压差和速度，升降过程完全依靠静浮力，不需要垂直方向的推力执行机构。该方案同样优先考虑压差控制，通过吸排气维持飞艇内外压差，保证压差始终维持在期望范围内;通过抛洒压舱物来配合控制飞艇速度，使飞艇在升降过程按照理想的参考轨迹安全、平稳和快速地升降。为了检验两种控制方案的鲁棒性和有效性，本文利用可以模拟太阳照射等因素引起的热效应影响的飞艇热力学模型，进行了数值仿真，仿真结果表明本文所提出的两种控制方案均是有效的，并对各种热效应影响具有鲁棒性。
　　本文的另一部分工作关注的是平流层飞艇的水平面轨迹优化问题。飞艇到达平流层并驻留工作之后，将不可避免地受到高空风场中存在的随机分量的干扰，而飞艇作为一种低速飞行器对风场干扰具有很强的敏感性，当它长距离逆风巡航时往往需要消耗较多的能量。在高空飞艇能源供应有限的情况下，研究飞艇在风场干扰下的最优巡航轨迹是非常必要和有意义的。针对此问题，本文分别研究了飞艇在水平面的一维和二维轨迹优化问题。平流层飞艇水平一维轨迹优化问题通过确定最优工作模式切换顺序的方式求解。根据庞德里亚金极小值原理得到最优工作模式包括三种状态，即加速、减速和匀速（奇异区间），并且最优轨迹v-t曲线具有以下特性:(1)飞行速度的最优曲线至多有一个极值;(2)最优轨迹至多包含一个奇异弧;(3)如果最优轨迹包含奇异弧，则飞行速度在奇异弧之外不存在极值。结合这些特性，利用边界条件可知三种工作模式的切换顺序是有限的且确切的，并由此可确定不同情况下的一维最优轨迹。平流层飞艇水平二维轨迹优化问题则通过奇异摄动法求解。首先建立风场坐标系，将飞艇巡航到目标点的过程转化成类似的最优拦截问题;根据飞艇运动学、动力学状态变量变化的特点，引入比例导引法，对其进行三个快慢时间尺度的划分，建立了基于奇异摄动法的数学模型;再分别求解三个不同时间尺度上的子问题，得到以推力为控制变量的闭环解析解。这种方法允许飞艇的初始位置和初始速度任意，并满足一定的终端约束条件。最后，数值仿真结果验证了优化方法的有效性，表明本文所提的方法可以满足机载计算机实时优化的要求，具有一定的工程应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状概述

1．2．1 热力学特性研究现状

1．2．2 动力学特性研究现状

1．2．3 升降控制研究现状

1．2．4 轨迹优化研究现状

1．3 本文的主要工作

1．4 本文的组织结构

第二章 基于矢推和吸排气的平流层飞艇升降控制

2．1 飞艇基本特性

2．1．1 飞艇的结构示意图

2．1．2 相关的总体设计

2．2 飞行环境模型和飞艇动态模型

2．2．1 大气环境模型

2．2．2 日照模型

2．2．3 飞艇上升过程的运动学与动力学模型

2．2．4 飞艇的热效应

2．2．5 飞艇上升过程的执行机构模型

2．3 上升控制

2．3．1 上升过程参考轨迹设计

2．3．2 上升控制实现

2．4 下降控制

2．4．1 飞艇下降的运动学与动力学模型

2．4．2 飞艇下降的内部气体状态变化模型

2．4．3 飞艇下降的执行机构模型

2．4．4 下降参考轨迹的设计

2．4．5 下降控制实现

2．5 仿真平台的验证

2．5．1 采用的控制策略

2．5．2 参数条件

2．5．3 仿真结果

2．6 数值仿真与分析

2．6．1 参数条件

2．6．2 上升仿真结果

2．6．3 下降仿真结果

2．7 本章小结

第三章 基于抛物和吸排气的平流层巨型飞艇升降控制

3．1 飞艇的特性

3．1．1 基本参数定义

3．1．2 飞艇的结构示意图

3．1．3 相关的总体设计

3．2 飞行环境模型和飞艇动态模型

3．2．1 飞艇上升运动的简化模型

3．2．2 飞艇的热效应

3．2．3 飞艇上升的执行机构模型

3．3 上升控制

3．3．1 上升参考轨迹的设计

3．3．2 控制器的设计

3．3．3 控制策略

3．4 下降控制

3．4．1 飞艇下降运动的简化模型

3．4．2 飞艇下降的内部气体状态变化模型

3．4．3 飞艇下降的执行机构模型

3．4．4 下降参考轨迹的设计

3．4．5 下降控制实现

5．4．6 控制器的设计

3．4．7 控制策略

3．5 数值仿真与分析

3．5．1 参数条件

3．5．2 上升仿真结果

3．5．3 下降仿真结果

3．6 本章小结

第四章 平流层飞艇的水平一维轨迹优化

4．1 问题描述

4．2 飞艇最优工作模式

4．2．1 哈密顿边界值问题

4．2．2 可能存在的工作模式

4．3 工作模式切换顺序

4．3．1 可能存在的模式切换顺序

4．3．2 最优的工作模式切换顺序

4．4 数值仿真与分析

4．5 本章小结

第五章 平流层飞艇的水平二维轨迹优化

5．1 问题描述

5．1．1 建立运动方程

5．1．2 引入比例导引法

5．1．3 最优控制问题描述

5．2 奇异摄动法求解

5．2．1 零阶外层解

5．2．2 零阶第一边界层解

5．2．3 零阶第二边界层解

5．3 数值仿真与分析

5．3．1 参数条件

5．3．2 仿真结果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的科研成果

致谢