大柔性飞行器阵风扰动影响分析及稳定控制研究

作     者：吕蓉蓉 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆宇平

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：大柔性飞行器 动力学建模 阵风响应 零能控区域 控制饱和约束 模型参考自适应控制器 

摘      要：大柔性飞行器是一类高空长航时飞行器,具有大展弦比机翼。其能在两万米高空之上巡航较长时间,在军事和民用范围内都能发挥重要作用,例如情报收集、侦察监视、网络中继、气象信息采集等。大柔性飞行器机翼细长、柔性程度高,在常规飞行状态下也容易发生结构变形,影响飞行器的飞行性能。所以本文对其进行结构与动力学建模、稳定性分析、运动特性分析、可控性分析、控制系统设计。首先,对传统坐标系进行修正建立刚体机身模型;采用欧拉-伯努利梁对柔性机翼建模,运用有限元的思想和Lagrange方程进行推导;引入片条假设对飞行器进行气动力建模;最后综合各部分建模推导出完整的非线性气动弹性与动力学耦合的模型。其次,对大柔性飞行器提出一套配平理论求解出各配平结果。分析在三个吊舱都存在负载情况下的时域响应。着重分析了飞行器在离散突风、连续紊流、具体风场下的阵风响应,并初步得出使飞行器稳定飞行的阵风临界值。然后,针对大柔性飞行器在中心负载超过临界值成为开环不稳定系统,并且在控制饱和约束的限制下,讨论了不同的负载、控制约束、阻尼因子、刚度条件下的零能控区域大小,采用稳定半径来定量地衡量。并设计了控制器进行初步地验证。最后,对非线性大柔性飞行器模型进行线性化与平衡截断法降阶,对比前后输出相应。针对阵风扰动下的大柔性飞行器设计基于线性二次型调节器(LQR)的模型参考自适应控制器,仿真结果表明,在阵风扰动下该控制器依然能良好地跟踪纵向指令。