直升机模型旋翼变桨距控制系统研制

摘要

近年来直升机无论在军事还是民用领域都大放异彩，军事领域其既能开展普通运输任务又能承担对地打击等战斗任务，民用领域其短线航空运输能力、灾难搜救能力也非常出众，这些都得益于直升机飞行性能的独特性。但是由于直升机通常的工作环境都非常恶劣，其桨叶在高速旋转时产生的强烈振动以及气动干扰，导致直升机的控制具有很大难度。中国通常通过直升机风洞试验，来研究直升机的性能、气动特性、噪声和振动特性等，以此来完成直升机飞控系统的研制。　　论文介绍了直升机在飞行控制中旋翼桨距变换的基本原理，总结了国内外直升机飞行控制系统的研究发展现状，在借鉴目前优秀飞控系统研发的经验基础之上，结合自身试验条件、学习能力，研制了一套直升机模型旋翼变桨距控制系统。论文的主要工作如下：　　①考虑到直升机模型旋翼控制中干扰比较强，采用自抗扰+PI双闭环的控制方法对实现桨距变换的电机进行控制，电机的转速环采用自抗扰方法控制，电流环采用PI方法控制，并建立仿真模型与采用PI控制转速环电流环的电机仿真结果进行对比，在外界有相同干扰的情况下，自抗扰加PI的控制方式明显优于只用PI控制的方式。　　②根据课题要求，设计系统总体方案，采用PC+运动控制器的方式作为系统的控制方案，上位机作为系统控制核心之一，主要是控制指令输入与系统状态监控，下位机主要完成系统的运动控制，上位机与下位机协同工作，共同组成直升机模型旋翼变桨距控制系统的软件部分，该系统具有模块化，便于升级和维护的特点。　　③搭建实验平台，针对课题的功能需求对整套系统进行一一验证，同时观察系统的稳定性和可靠性，根据各项实验数据显示出，系统控制方案的正确性，各项试验指标也符合预期。　　综上所述，本文采用模块化的技术思路研究开发了一套直升机模型旋翼变桨距控制系统，实验测试结果达到了课题的控制要求。

目录

1 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文主要研究内容

2 系统需求分析与控制算法设计

2.1 模型旋翼变桨距控制系统需求分析

2.1.1 控制需求

2.1.2 位置精度需求

2.1.3 功能需求

2.1.4 基本性能参数

2.1.5 控制方案的提出

2.2 永磁同步电机的建模

2.3 自抗扰控制在永磁同步电机速度环控制中的应用

2.3.1 自抗扰控制技术

2.3.2 跟踪微分器

2.3.3 扩张状态观测器的构建

2.3.4 非线性组合模块

2.3.5 自抗扰控制器的实现

2.3.6 基于永磁同步电机的自抗扰控制器设计

2.4 永磁同步电机ADRC控制模型仿真

2.4.1 ADRC仿真模型的建立

2.4.2 PI仿真模型的建立

2.4.3 仿真结果分析

2.5 本章小结

3 模型旋翼变桨距控制系统方案设计

3.1 总体方案设计

3.2 重要器件选型

3.2.1 控制器

3.2.2 电机

3.2.3 驱动器

3.2.4 力传感器

3.2.5 中间模块

3.2.6 PC的选择

3.3 控制柜电路设计

①供电电路

②柜体控制面板电路

3.4 系统抗干扰设计

3.5 本章小结

4 模型旋翼变桨距系统软件设计

4.1 系统软件总体设计

4.2 软件开发环境

4.3.1 ADS协议

4.3.2 ADS通讯实现

4.3.3 软件人机操作界面设计

4.4 下位机软件设计

4.4.1 EtherCAT协议及实现

4.4.2 下位机运动控制程序设计

4.5 本章小结

5 实验测试及数据分析

5.1 硬件实验平台搭建

5.2 NC轴运动测试

5.3 单轴最大负载测试

5.4 单轴运动精度测试

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文与专利

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 作者在攻读学位期间取得的荣誉

D. 学位论文数据集

致谢