直升机飞行品质设计中的鲁棒控制问题研究

摘要

直升机的非线性、非定常、静不定和高度耦合等特性造成直升机开环飞行品质较差，不利于高质量完成各项飞行任务。通过设计飞行控制系统来改善直升机飞行品质是现代飞行品质设计的重要手段之一。然而，直升机的复杂性对飞行控制律的性能尤其是鲁棒性提出了较高要求。本文基于鲁棒控制理论，针对直升机飞行品质设计问题，开展了鲁棒控制律的设计方法研究。
　　首先，本文建立了单旋翼带尾桨直升机的飞行动力学模型，并针对开环飞行品质中的稳定性和耦合性进行了计算分析，同时深入研究了稳定性与耦合性在不同飞行状态下的变化情况。
　　其次，计算分析了直升机气动导数对飞行状态的敏感性，进而得到气动导数的摄动规律，然后，在飞行控制律设计所包含的飞行状态区间内选取了标称设计点，分析气动导数摄动情况对直升机特征根的影响，最终实现面向鲁棒控制律设计的不确定性建模。改进了现有方法对模型不确定性估计较为粗糙的缺点。
　　接着，本文针对改善直升机飞行品质的目的，基于部分参数摄动的鲁棒H?控制方法进行了直升机鲁棒飞行控制律设计,建立了考虑部分参数摄动的扩展 LMI线性矩阵不等式，并借助MATLAB软件中的相关求解程序实现了线性矩阵不等式的求解，得到了具有增强鲁棒性的状态反馈控制律。
　　最后，以样例直升机为控制对象，针对飞行品质规范 ADS-33E-PRF定义的响应类型中的姿态保持和速度保持问题，在同时考虑模型参数摄动不确定性、传感器测量噪声和外界环境干扰的条件下，利用本文发展的方法设计了鲁棒飞行控制律，并在 MATLAB/SIMULINK中对所设计控制律的有效性和鲁棒性进行了仿真验证。在此基础上，将本文设计的控制律与经典 PID控制方法进行了对比分析。结果表明，相对于经典PID控制，本文发展的鲁棒控制方法能更好地抑制系统摄动和外界干扰，增强闭环系统的稳定性和鲁棒性。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2直升机飞行品质与飞行控制律设计

1.3鲁棒控制在直升机飞行控制规律设计中的应用

1.4本文的主要研究工作及安排

第二章 直升机飞行动力学建模及开环飞行品质分析

2.1引言

2.2直升机飞行力学建模

2.3样例直升机开环飞行品质分析

2.4本章小结

第三章 直升机模型不确定性分析

3.1引言

3.2模型不确定性

3.3样例直升机稳定性导数矩阵摄动参数选择

3.4 本章小结

第四章 直升机飞行控制器的鲁棒控制律设计

4.1 引言

4.2 基于部分参数摄动的鲁棒H?控制

4.3 本章小结

第五章 直升机飞行控制规律结果与验证

5.1 鲁棒H?控制仿真分析

5.2 PID控制设计与仿真

5.3样例直升机闭环稳定性分析

5.4本章小结

第六章 工作总结及进一步研究设想

6.1 工作总结

6.2本文的创新点

6.3进一步研究设想

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文