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倾转旋翼飞行器建模及仿真研究

作　者: 程尚
导　师: 曹云峰
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: XV-15 倾转旋翼飞行器空气动力学耦合姿态控制诱导速度
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 195次
引　用: 3次
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内容摘要

倾转旋翼机是一种将固定翼飞机和直升机特点融为一体的新型飞行器,既能实现垂直起降和空中悬停,又能实现高速巡航。倾转旋翼机的数学模型包含若干部分,各部分的气动力/力矩计算分别在不同的坐标系中进行,因此本文首先分别对倾转旋翼飞行器机翼,机身,平尾,垂尾,旋翼单独建模,再综合得到完整的空气动力学模型,这样建模更加灵活和实用,便于根据机体不同部分的实际情况建立方程。本文不仅考虑了旋翼与机翼间的相互干扰,也考虑了旋翼对垂尾,平尾以及旋翼间的相互干扰,还分析了机翼的垂向弯曲,质心随短舱角变化等因素。因此本文所建模型相对更加全面,实用。然后在此基础上使用MATLAB/Simulink工具构建了倾转旋翼飞行器的非线性仿真模型,并以XV-15倾转旋翼机为算例,对模型进行配平及线性化等处理。通过将配平结果与GTRS模型对比,以及特征根与GTRS模型,飞行数据进行对比分析并且通过模态分析验证了本文模型以及所采用的计算方法的正确性。最后,在线性化模型基础上分析了倾转旋翼飞行器存在严重的动态耦合以及操纵耦合,通过采用特征结构配置法和前置补偿的方法,实现了动态解耦。通过外回路PI控制设计,设计了固定翼飞机模式、过渡模式和直升机模式下的姿态控制器,并且取得了很好的效果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-15
第一章绪论  15-23
  1.1 课题背景  15-16
  1.2 倾转旋翼机概述  16-19
  1.3 倾转旋翼机的发展现状  19-21
  1.4 本文研究工作  21-23
第二章倾转旋翼飞行器气动力学建模  23-43
  2.1 引言  23
  2.2 本文建模思想  23-24
  2.3 坐标轴系统  24-26
  2.4 机翼空气动力学模型  26-29
  2.5 机身空气动力学模型  29
  2.6 平尾空气动力学模型  29-30
  2.7 垂尾空气动力学模型  30-31
  2.8 旋翼空气动力学模型  31-40
    2.8.1 桨叶挥舞角概念  32-35
    2.8.2 挥舞动力学  35-36
    2.8.3 桨叶空气动力学  36-40
  2.9 倾转旋翼飞行器操纵模式  40-43
    2.9.1 主要飞行操纵系统  40-41
    2.9.2 操纵数学模型  41-43
第三章倾转旋翼飞行器配平计算及仿真验证  43-61
  3.1 引言  43
  3.2 倾转旋翼飞行器定常飞行配平计算方法  43-44
  3.3 倾转旋翼机仿真模型的建立  44-45
  3.4 XV-15 倾转旋翼机样机配平计算  45-50
    3.4.1 样例倾转旋翼飞行器配平结果图及分析  45-49
    3.4.2 样例XV-15 器配平结果与GTRS 模型配平结果对比分析  49-50
  3.5 线性模型特征根分析  50-56
    3.5.1 倾转旋翼飞行器直升机模态纵向模态分析  50-53
    3.5.2 倾转旋翼飞行器直升机模态横向模态分析  53-55
    3.5.3 倾转旋翼飞行器固定翼飞机模式横侧向模态分析  55-56
    3.5.4 倾转旋翼飞行器固定翼飞机模式纵向模态分析  56
  3.6 倾转旋翼飞行器特征根随速度变化规律  56-59
  本章小结  59-61
第四章操纵响应及姿态控制设计  61-83
  4.1 引言  61
  4.2 倾转旋翼飞行器耦合性  61-68
    4.2.1 倾转旋翼飞行器非零输入动态响应分析  61-64
    4.2.2 倾转旋翼飞行器非零状态动态响应分析  64-68
  4.3 特征结构配置理论  68-70
  4.4 反馈控制器内/外回路结构  70-72
  4.5 倾转旋翼机飞行姿态控制设计  72-82
    4.5.1 线性模型量纲转换  73
    4.5.2 直升机模式悬停状态姿态控制系统设计  73-78
    4.5.3 过渡模式短舱角15 度姿态控制系统  78-80
    4.5.4 过渡模式短舱角75 度姿态控制系统  80-81
    4.5.5 固定翼飞机模式姿态控制系统  81-82
  4.6 本章小结  82-83
第五章总结  83-84
  5.1 本文研究工作内容  83
  5.2 本文的主要贡献  83
  5.3 工作总结及展望  83-84
参考文献  84-87
致谢  87-88
在学期间的研究成果及发表的学术论文  88

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