發(fā)布時(shí)間：2020-10-12 03:44

　　 扇翼飛行器是近期發(fā)展起來的低速大載荷飛行器。它通過在厚機(jī)翼前緣嵌入橫流式風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)固定機(jī)翼,進(jìn)行升力和推力的控制,其性能介于固定翼飛機(jī)和直升機(jī)之間——既擁有直升機(jī)的短距起降優(yōu)勢(shì),又同時(shí)兼顧固定翼飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益,使其在民用和軍用上獲得很大的發(fā)展?jié)摿?成為近年來飛行器領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。而國(guó)內(nèi)對(duì)于扇翼飛行器的研究剛剛起步,大多停留在飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,很少提及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),相關(guān)的理論研究和工程應(yīng)用有待進(jìn)一步深入。因此,本文主要在分析扇翼飛行器氣動(dòng)特性和飛行性能的基礎(chǔ)上,建立扇翼飛行器非線性模型,并進(jìn)行舵面控制、扇翼轉(zhuǎn)速控制兩種PID控制方案的研究,以及基于不確定干擾估計(jì)器(UDE)的控制方案研究。本文的工作對(duì)改善扇翼飛行器的飛行性能,以及飛行器的未來發(fā)展均具有重要意義。首先,建立了扇翼飛行器起飛段和空中飛行段的非線性數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了扇翼飛行器的特性分析。指出其與常規(guī)固定翼飛機(jī)的共性點(diǎn)和不同,并在此基礎(chǔ)上,著重分析了扇翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生力與力矩的影響。通過數(shù)值仿真,對(duì)比分析了扇翼飛行器各因素在加入控制律前和加入控制律后對(duì)其短距起飛性能的影響,指出良好的起飛性能需要幾個(gè)因素的配合設(shè)置,為扇翼飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和飛行控制提供指導(dǎo)。其次,受推力矢量技術(shù)在飛行控制中成功應(yīng)用的影響,本文在分析扇翼飛行器特性的基礎(chǔ)上,提出扇翼轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。從空中飛行段控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā),分別進(jìn)行了扇翼飛行器縱向控制系統(tǒng)和橫側(cè)向控制系統(tǒng)的氣動(dòng)舵面控制和扇翼轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì),其中縱向控制系統(tǒng)為本文重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。通過兩種控制方案的對(duì)比分析,指出扇翼轉(zhuǎn)速代替氣動(dòng)舵面完成扇翼飛行器空中飛行段控制的可行性,以及放大扇翼轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的附加低頭力矩對(duì)縱向扇翼轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。然后,針對(duì)扇翼飛行器可以保持大姿態(tài)角飛行的特點(diǎn),完成了飛行器起飛段和著陸段縱向控制方案的設(shè)計(jì)。并提出升降舵控制和扇翼轉(zhuǎn)速控制的縱向組合控制方案,解決了縱向高度和姿態(tài)控制強(qiáng)耦合的問題。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)俯仰姿態(tài)的穩(wěn)定控制,提出了一種基于俯仰角速率指令內(nèi)回路的控制方案。并在此基礎(chǔ)上將UDE控制方法應(yīng)用到扇翼飛行器縱向控制系統(tǒng)中,提出帶寬參數(shù)化的魯棒姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)以及參數(shù)整定方法,通過性能對(duì)比分析,最終仿真驗(yàn)證UDE控制方法比組合控制具有更為優(yōu)越的縱向姿態(tài)控制性能。最后,在MATLAB仿真平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)了扇翼飛行器的非線性仿真。通過多種模態(tài)仿真,實(shí)現(xiàn)了在氣動(dòng)舵面出現(xiàn)故障時(shí),基于扇翼轉(zhuǎn)速控制的應(yīng)急飛行控制系統(tǒng)對(duì)飛行器的穩(wěn)定控制,并驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的兩種PID控制方案自主跟蹤航跡的飛行能力。
【學(xué)位單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V249.1;V27
【部分圖文】：

主要追求兩點(diǎn)：一是經(jīng)濟(jì)性和高效性，這是固定翼飛要起降跑道，低空低速性能好，這是直升機(jī)的特長(zhǎng)。但是這兩求較大的機(jī)場(chǎng)和專用跑道，低空低速適用性差，不適合在狹小縱復(fù)雜，續(xù)航時(shí)間短，有效載荷低。近年來，國(guó)內(nèi)外正在探索于直升機(jī)和固定翼飛機(jī)之間的一種低速大載荷飛行器。由于扇高飛行效率、高載荷、低噪聲和短距起降等優(yōu)點(diǎn)，使其在民用優(yōu)勢(shì)，成為近年來飛行器領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。它是一種從原理翼、撲翼飛行器的新原理、新概念飛行器。器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為一種新概念飛行器，其飛行性能介于固定翼飛機(jī)和直升機(jī)究的扇翼飛行器整體結(jié)構(gòu)圖。扇翼飛行器具有一個(gè)大且厚的機(jī)風(fēng)扇，通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的水平轉(zhuǎn)子葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)來同時(shí)提供升力和推器同時(shí)具有常規(guī)固定翼飛機(jī)以及旋翼機(jī)的雙重優(yōu)勢(shì)，使飛行器距起降的雙重特性。

決問題以及它突出的飛行性能和優(yōu)勢(shì)，吸引了很多科學(xué)作，使扇翼飛行器的研究獲得空前發(fā)展，而國(guó)內(nèi)存在于科研院所及部分高校。有賴于橫流式風(fēng)扇的發(fā)明。1893 年，法國(guó)電氣工可以根據(jù)工作需要任意配置選取，這一特性與飛的誕生奠定了重要的理論基礎(chǔ)。1962 年，皮特·道入到固定翼飛機(jī)機(jī)翼中，通過橫流式風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。并指出可以利用兩側(cè)機(jī)翼上扇翼轉(zhuǎn)動(dòng)的差動(dòng)控動(dòng)轉(zhuǎn)速代替舵面控制飛行器的飛行。Dornier 的機(jī)然當(dāng)時(shí)并未提供如何通過推力矢量進(jìn)行飛行控制流流出的方向來實(shí)現(xiàn)�？上в捎诋�(dāng)時(shí)科學(xué)發(fā)展的

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文以及優(yōu)越性[22](如短距起降和大迎角不失速等)，機(jī)理，解決扇翼飛行器的基礎(chǔ)理論問題[23]；二是mputational Fluid Dynamics, CFD)等方法優(yōu)化傳扇翼飛行器的系統(tǒng)和構(gòu)型創(chuàng)新。國(guó)成立了一家 FanWing 公司[24-25]，并開始了一系驗(yàn)和試飛，為扇翼飛行器的研究提供了大量的研展使學(xué)者們不再局限于對(duì)原始模型的探究，而是改善和優(yōu)化，進(jìn)而獲得更好的飛行效率。自此，，Kummer 等人在美國(guó)成立了 Propulsive Wing，[26]。隨著 CFD 仿真技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家們通過，優(yōu)化扇翼翼型，改善扇翼飛行器的飛行性能。努力，扇翼飛行器于 2008 年 6 月在威爾士一個(gè)國(guó)：
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2837585