小型无人直升机电动尾桨控制方法研究

摘要

无人直升机电动尾桨利用电机驱动直升机尾桨，相比机械传动式尾桨，电动尾桨机械结构简单、易维护、噪音低、振动小、清洁无污染、可靠性高。此外，电动尾桨与直升机主旋翼解耦，可提高尾桨控制的灵活性与偏航机动性。 本论文以小型无人直升机电动尾桨偏航通道为研究对象，使用非线性自抗扰控制方法控制直升机电动尾桨偏航通道。 首先，计算直升机尾桨的功率，该功率计算一是为电动尾桨系统选择电机做参考，二是从该功率计算过程可知：电动尾桨功率消耗随尾桨转速升高而增大、减小而降低。因此，可选择直升机偏航机动性低的飞行工况，如悬停时降低电动尾桨转速以减小尾桨功率消耗。 其次，根据电动尾桨偏航通道的控制要求：偏航通道动态不确定性大、非线性空气动力学、外界扰动与系统自身扰动因素等影响。要求所使用的控制方法对电动尾桨模型依赖度不高，且控制参数可调整，经过分析，非线性自抗扰控制符合上述电动尾桨的控制要求，因此选用非线性自抗扰控制方法控制电动尾桨偏航通道。然后建立了电动尾桨偏航通道的仿真模型，建立了自抗扰控制的控制模型，仿真结果发现：常规自抗扰控制电动尾桨偏航通道使得输出偏航角存在小幅度抖动，究其原因，是控制律中的非线性函数拐点处不平滑所致。 为消除偏航角抖动，改进了自抗扰控制律的非线性函数，改进的非线性函数不但在拐点处平滑，而且可改变函数形状、中心位置和幅值。建立了改进的非线性自抗扰控制的Simulink控制模型，结合上述电动尾桨模型，仿真结果发现改进的非线性自抗扰控制消除了偏航角的抖动，且响应时间比常规非线性自抗扰控制快。 最后，根据直升机飞行工况，直升机在悬停时对偏航机动性要求最低，因此选择在直升机悬停时降低电动尾桨转速，其他飞行工况将转速提高至标准转速。为保持直升机悬停姿态，转速降低的同时需提高桨距角，因此，桨距角变化趋势与尾桨转速变化趋势相反。尾桨变转速的直升机偏航通道使用改进的非线性自抗扰控制，仿真结果表明：转速降低后直升机机动性降低，可以比标准转速节约15％左右功率。然后在电动尾桨地面试验台上验证了上述电动尾桨偏航通道的控制方法，试验表明上述控制方法控制效果较好。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1本文研究背景及研究意义

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3本论文的主要研究内容

1.4论文结构及研究内容

第二章 小型无人直升机尾桨功率消耗计算

2.1试验无人直升机及其参数

2.2主旋翼功率计算

2.2.1主旋翼下洗流计算

2.2.2主旋翼功率计算

2.3尾桨各功率计算

2.3.1尾桨拉力计算

2.3.2尾桨下洗流计算

2.3.3尾桨总功率

2.4整机功率计算

2.5尾桨功率计算结果分析

2.6本章小结

第三章 定转速电动尾桨改进自抗扰控制方法

3.1电动尾桨偏航控制要求

3.2电动尾桨偏航通道控制建模

3.3非线性自抗扰控制

3.3.1跟踪-微分器（TD）与过渡过程

3.3.2扩张状态观测器（ESO）

3.3.3非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）

3.3.4完整算法

3.4电动尾桨非线性自抗扰控制方法

3.5电动尾桨非线性自抗扰控制律的改进

3.6本章小结

第四章 变转速电动尾桨改进自抗扰控制方法

4.1.1电动尾桨功率与转速变化的关系

4.1.2电动尾桨转速与桨距角的协同变化

4.2尾桨电机转速的自抗扰控制

4.3变转速电动尾桨偏航控制方法

4.4本章小结

第五章 仿真与地面试验验证

5.1基于改进非线性函数的自抗扰电动尾桨仿真结果

5.1.1非线性自抗扰仿真参数整定

5.1.2仿真结果分析与对比

5.2电动尾桨能耗优化仿真结果对比

5.3电动尾桨地面试验验证

5.3.1电动尾桨地面实验台简介

5.3.2改进非线性函数自抗扰控制的试验结果

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2本文研究工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果