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超高空观测平台系统建模与仿真研究

作 者: 刘奇奇
导 师: 马克茂
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 控制科学与工程
关键词: 超高空观测平台 六自由度模型 定点控制 航迹控制
分类号: V27
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 54次
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内容摘要


超高空观测平台是一种工作于平流层,可装载一定有效载荷的能够长时间定点悬停的工作平台。该平台主要依靠浮力提供升力,因此具有定点悬停能力。超高空观测平台的工作过程包括放飞和下降阶段,定点悬停阶段;为了使超高空观测平台能够实现对地面观测、与地面进行通信等功能,须对平台进行定点悬停控制和航迹控制。本文主要针对超高空观测平台的姿态控制、定点控制和航迹控制问题,进行了如下的研究工作:首先,在几点假设的基础上,对超高空观测平台进行受力分析,运用动量和动量矩定理建立平台的六自由度非线性数学模型。然后采用小扰动线性化的方法将非线性模型线性化,得出平台的纵向和侧向平面线性化方程。然后,以平台的线性化模型为基础,采用经典控制方法对平台的俯仰角和偏航角进行控制。在平台姿态控制的基础上,对超高空观测平台悬停于平流层进行定点控制,定点悬停位置控制系统设计包括垂向位置控制设计、前向位置控制设计和侧向位置控制设计。在Matlab环境下,对平台的定点悬停控制系统进行仿真研究,验证了姿态控制器和定点控制器的有效性。最后,根据平台放飞段期望的运动轨迹,设计平台的航迹控制器使其实现轨迹的跟踪。同时由于平台在上升过程中大气环境发生变化,设计了平台的压差控制系统使平台的内外压差在一定的范围内,以保证平台的外形。在Matlab环境下,对平台的航迹控制系统进行仿真研究,验证了航迹控制器的有效性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题背景及研究的目的  8
  1.2 超高空观测平台国内外研究现状及分析  8-10
    1.2.1 国外超高空观测平台的研究现状  8-9
    1.2.2 国内超高空观测平台的研究现状  9-10
  1.3 姿态、定点和航迹控制研究现状及存在的问题  10-12
    1.3.1 姿态控制研究现状及存在的问题  10-11
    1.3.2 定点控制研究现状及存在的问题  11-12
    1.3.3 航迹控制研究现状及存在的问题  12
  1.4 仿真问题研究现状  12-13
  1.5 本文的主要工作及章节安排  13-14
第2章 超高空观测平台数学模型的建立  14-30
  2.1 引言  14
  2.2 坐标系及其转换  14-17
    2.2.1 坐标系定义  14-15
    2.2.2 各坐标系之间的关系  15-17
  2.3 超高空观测平台受力分析  17-22
    2.3.1 流体惯性力  17-18
    2.3.2 空气动力  18-19
    2.3.3 重力与浮力  19-20
    2.3.4 推力  20
    2.3.5 风干扰的影响  20-22
  2.4 超高空观测平台数学模型的建立  22-27
    2.4.1 动力学方程的建立  22-26
    2.4.2 运动学方程的建立  26-27
  2.5 超高空观测平台非线性模型的线性化  27-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章 超高空观测平台定点控制器设计与仿真  30-47
  3.1 引言  30
  3.2 超高空观测平台姿态控制系统设计与仿真  30-40
    3.2.1 俯仰角姿态控制系统设计与仿真  30-35
    3.2.2 偏航角姿态控制系统设计与仿真  35-38
    3.2.3 滚转角姿态控制系统设计与仿真  38-40
  3.3 超高空观测平台位置回路控制系统设计与仿真  40-45
    3.3.1 垂向位置回路控制系统设计与仿真  40-42
    3.3.2 前向位置回路控制系统设计与仿真  42-44
    3.3.3 侧向位置回路控制系统设计与仿真  44-45
  3.4 本章小结  45-47
第4章 超高空观测平台航迹控制器设计与仿真  47-57
  4.1 引言  47
  4.2 标准大气模型的建立  47-49
    4.2.1 理想气体状态方程  47-48
    4.2.2 标准大气模型  48-49
  4.3 超高空观测平台放飞段压差模型的建立  49-51
  4.4 超高空观测平台航迹控制器设计与仿真  51-54
    4.4.1 垂向位置控制器及压差控制器的设计  51-53
    4.4.2 前向位置控制器的设计  53-54
    4.4.3 侧向位置控制器的设计  54
  4.5 仿真结果及分析  54-56
  4.6 本章小结  56-57
结论  57-59
参考文献  59-63
攻读学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 各类型航空器
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