直升机飞行控制与可视化飞行仿真技术研究

摘要

由于其特有的飞行能力，直升机在军事和民用的各个领域有着广泛的需求。直升机飞行控制技术是直升机研究中的一个重要研究方向，而直升机飞行控制的研究离不开数学建模、控制系统设计和飞行仿真这三个方向的研究。正是在这种背景下，本文开展了直升机建模、控制系统设计和飞行仿真的研究工作。
　　首先，建立直升机的数学模型。分别计算直升机各个部件的气动力与力矩，得出直升机的非线性动力学模型，整个仿真模型最终在Matlab/Simulink平台上得以实现。为了结合控制律设计，在某些特殊飞行状态下（如悬停和低速前飞）进行小扰动线性化，将线性模型用于直升机的滚转、俯仰、偏航和高度等通道的控制律设计。
　　其次，介绍了直升机飞行控制律的设计工作，根据直升机稳定性和耦合性的分析结果，对直升机的控制策略、控制规律进行了研究。采用PID控制方法实现了直升机在悬停状态下的增稳控制律。在此基础上，针对定高悬停飞行科目，设计了直升机的自动控制律（高度控制律、航向控制律及轨迹控制律）。对所设计的控制律进行综合仿真，仿真结果表明，给出的设计参数合理有效。
　　再次，考虑到不同配平点上的直升机模型大范围变化，本文采用了一种强鲁棒控制方法（定量反馈理论）设计直升机在低速前飞(0～40节)下的控制器。首先介绍了采用定量反馈理论(QFT)设计多输入多输出系统的原理及一般设计过程，然后根据QFT设计理论，将预先定义的性能指标转化到尼柯尔斯（Nichols）图中的一系列边界约束，在此基础上设计出满足性能指标的姿态回路控制器。最后，仿真证明QFT能够解决由于模型参数不确定性所造成的控制系统鲁棒性问题。
　　最后，在VC6.0平台下，开发了一套基于FlightGear模拟器的实时可视化飞行仿真系统，该仿真系统包括控制系统模块、动力学模型以及FlightGear模拟器。控制系统模块和动力学模型是在VC6.0平台下用C语言实现，可以实时模拟直升机的动力学特性和控制系统，FlightGear提供了逼真的视觉仿真效果模拟直升机运动。三个模块通过串口和基于UDP协议的网络通讯方式构成了一个完整系统，可以为直升机飞行提供实时的可视化仿真。

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注释表

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3本文主要研究内容与章节安排

第二章 直升机气动力建模

2.1 引言

2.2 坐标系及转换关系

2.3 各部件气动力建模

2.4 直升机运动方程

2.5 直升机配平及线性化

2.6 本章小结

第三章 直升机飞行控制律设计

3.1 引言

3.2 开环特性分析

3.3 增稳控制律设计

3.4 自动控制律设计

3.5 直升机综合仿真

3.6 本章小结

第四章 基于定量反馈理论的姿态控制器设计

4.1 引言

4.2 MIMO系统的QFT设计步骤

4.3 直升机姿态回路控制器设计

4.4 仿真及分析

4.5 本章小结

第五章 直升机可视化仿真平台设计及验证

5.1 引言

5.2总体方案设计

5.3 控制律模块

5.4 动力学模型模块

5.5 FlightGear模拟器模块

5.6 仿真结果

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文