平流层飞艇压力控制系统的建模与仿真

摘要

本文以我国平流层通信平台的研究项目为背景，对项目中的飞艇的压力控制系统的建模和控制问题展开了研究。 与传统飞行器不同，飞艇的升力主要由气囊中升浮气体产生的浮力来提供。除此之外，飞艇的一些应用，如悬空、俯仰、高空定点等也是通过气囊的操作来实现的。良好的气囊控制算法能够减少发动机输出功率、节省能源、提高飞行速度，而不良的控制算法不仅降低飞行特性，还造成气囊变形、破裂等非正常的，乃至危险的现象。所以，对气囊进行压力控制对飞艇非常重要。 压力控制过程涉及飞艇的安全控制、升降控制、俯仰控制等，还与飞艇的动力系统以及外部大气环境和气象条件相关。尤其是大气环境的不确定性和复杂性对飞艇飞行和悬空的影响非常巨大。因此压力控制系统的建模和仿真具有相当的复杂性。 压力控制系统的主要作用有: (1) 外形保持。飞艇是充气的柔性体,必须通过压力控制,使得飞艇在整个飞行过程中内外差压始终保持在一定范围之内,从而保持整个飞艇的外部形状。在飞艇上升期间,外部大气压强降低，应通过差压阀门放气保持内外压差一致。在飞艇下降过程中，随飞艇高度降低，外部压力增加,飞艇内部趋向负压,需打开鼓风机充气,维持压差。 (2)升力控制。飞艇的主要升力源是它所受的浮力，而浮力就主要取决于此高度的空气密度。由于大气密度随着高度的不同而有很大变化，在上升和下降过程中，为了调整飞艇的净升力大小，需要对飞艇内部空气与氦气比例加以控制。采用的方法是在飞艇前后各有一副气囊，通过对各个副气囊进行充放气，实现升力控制和纵向平稳控制。 飞艇压力控制系统建立在大气模型，压力模型，重心模型和浮力模型之上。在飞艇研制的初期，缺乏实验数据，所以本文采用机理分析的方法，在详细分析飞艇受力情况的基础上，依据力学原理分别建立了飞艇的浮力模型，压差模型和重心模型，以作为研究飞艇压力控制问题的基础。本文将飞艇的压力控制分为两个方面：安全性控制和平稳控制。在标准大气模型和飞艇压力控制模型的基础上，分别对安全性控制和平稳控制进行了可行性分析，说明了压力控制的可行性。 本文的创新点在于：在飞艇数学模型和标准大气模型的基础上，考虑到了气囊内外热量流动以及温度延迟，并将这些特征整合进飞艇的数学模型中。除此之外，本文采用的大气模型不再是标准大气模型，而是考虑到了阳光辐射强度以及日温差变化带来的影响，并通过仿真计算得出飞艇的静态和动态特征，对仿真结果进行了分析。 最后，还说明了飞艇实际运行时应考虑到的一些因素。包括气候变化、压强、以及氦气纯度等。分析了各个因素对飞艇飞行的影响。