旋翼/涵道风扇式无人直升机飞行控制若干问题研究

摘要

研制具有新型结构及气动布局的先进无人直升机是无人直升机技术发展的一个重要方向。采用旋翼/涵道风扇组合升力系统的无人直升机具有常规单旋翼带尾桨直升机难以达到的优点,气动效率高、抗风能力强、结构紧凑等,具有广泛的应用前景。独特的结构与气动布局和操纵方式使新型无人直升机具有明显不同于常规直升机的飞行动力学特性,也为飞行控制系统设计带来诸多挑战。本文的研究内容结合新型无人直升机预先研究工作中遇到的实际问题展开,涉及内容包括飞行动力学特性分析、飞行控制系统设计、悬停钟摆运动抑制、鲁棒飞行控制、多目标优化控制等多个方面。
　　 论文首先分析了单旋翼涵道风扇式无人直升机的构型和建模特点,基于直升机飞行动力学原理并结合风扇/涵道机身组合吹风试验建立了该新型无人直升机的飞行动力学模型。进一步,以新型无人直升机的线性化小扰动模型为基础,通过气动导数分析、运动模态分析以及时域响应分析研究了新型无人直升机的稳定特性和操纵耦合特性。与常规无人直升机进行了对比,揭示了新型无人直升机所具有的独特的飞行动力学特性,包括特有的悬停钟摆振荡运动模态、特殊的轴间耦合特性以及强的航向抗干扰能力等。
　　 其次,基于新型无人直升机的飞行动力学特点和控制需求设计了解耦控制、姿态控制、速度和位置控制系统,推导了悬停控制律作用下的闭环系统模型,在此基础上分析了悬停钟摆运动的形成机理。研究结果指出,新型无人直升机的悬停钟摆运动来自于X向和Z向子系统中低阻尼的振荡运动模态,并且当直升机结构和气动布局一定时,仅依靠调整悬停控制参数无法有效抑制悬停钟摆振荡运动。基于无人直升机悬停钟摆运动与物理钟摆在组成结构、响应特性、运动机理上的相似性,提出了通过控制无人直升机悬点移动来消除悬停钟摆运动的控制策略。以解耦后的姿态回路为内回路,基于X向与Z向分离的原则采用线性二次最优控制设计了新型无人直升机的消摆控制器。试验结果表明,消摆控制器不仅能够有效消除新型无人直升机的悬停钟摆振荡运动,而且具有较强的实用性。
　　 接着,针对无人直升机系统中广泛存在的不确定性问题,研究了适用于直升机飞行控制系统的鲁棒性设计方法。与频率域直升机鲁棒飞行控制方法主要考虑旋翼动态等高频未建模不确定性不同,论文结合无人直升机的飞行特点,将系统中的不确定性描述为模型中稳定性导数和操纵导数在有界区间内的摄动。针对稳态阵风干扰及非稳态阵风干扰情形,分别提出了一种基于指令跟踪控制结构的无人直升机鲁棒跟踪解耦控制方法和鲁棒H∞/PI相结合的多回路鲁棒飞行控制方法。基于以上方法分别设计了无人直升机鲁棒飞行控制器。仿真结果表明,所提控制策略能有效改善无人直升机的操纵品质,使无人直升机具有强的抑制阵风干扰能力。所得控制器阶数低、易于工程实现。
　　 进一步,考虑到先进无人直升机飞行控制系统设计多性能指标约束的要求,研究了一类不确定性系统在风指标及区域极点共同约束下的鲁棒非脆弱控制问题。针对被控对象存在参数不确定性、控制器存在加性不确定性和乘性不确定摄动的情形,分别以一个线性矩阵不等式的形式给出了同时满足圆盘区域极点约束及干扰抑制性能指标的鲁棒非脆弱控制器的设计方法。分别通过一个数值算例和无人直升机飞行控制实例验证了方法的有效性。仿真结果表明,基于所提鲁棒非脆弱H∞/D-稳定化控制方法进行控制器设计,不仅能够使闭环系统对于模型不确定性及控制器不确定性均保持鲁棒稳定,而且能够显著改善系统的瞬时响应特性及干扰抑制性能。