飛艇是依靠浮力和推進(jìn)裝置飛行的一種浮空器,相比于飛機,飛艇制造成本低廉、噪聲小、續(xù)航時間長且具有一定的載重能力,由于其良好的經(jīng)濟適用性,在國防和經(jīng)濟領(lǐng)域有很大的應(yīng)用市場,特別是對于我國疆域遼闊的復(fù)雜地形環(huán)境而言,飛艇特別適合執(zhí)行勘測、通訊和運輸?shù)热蝿?wù)。但飛艇體積大,在大氣環(huán)境中不易操控,且易受到氣壓、溫度等環(huán)境影響,控制起來較為復(fù)雜,難以保證其安全性。為彌補這一缺點,國外飛艇的發(fā)展趨勢已經(jīng)從傳統(tǒng)的僅靠浮力和舵偏控制,向多套推力矢量的結(jié)構(gòu)布局過渡,國內(nèi)無人飛艇對這方面的研究則較少。本文研究對象為一種新外形多矢量推力飛艇,合理設(shè)計了兩種姿態(tài)控制方案,讓飛艇在復(fù)雜環(huán)境下仍能保持姿態(tài)的穩(wěn)定,使之很好地完成飛行任務(wù),主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作:首先對這一新外形飛艇結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹,借鑒傳統(tǒng)飛機建模方法為該飛艇建立數(shù)學(xué)建模,以此為基礎(chǔ)展開對控制器設(shè)計的研究;其次對飛艇在不同擾動、輸入等情況下的狀態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真,分析橫縱向耦合性和操縱性,基于以上分析進(jìn)行多矢量推力的合理分配,設(shè)計了常規(guī)的PID控制方法,并提出了變速積分增益的控制器改進(jìn)方式,一定程度上避免了快速性和超調(diào)之間的矛盾,仿真結(jié)果顯示該方法具有良好的控制效果;接著考慮到飛艇飛行過程中由于氣動系數(shù)偏差、風(fēng)干擾等情況會帶來控制偏差,而常規(guī)PID控制在干擾條件下的魯棒性不夠強的情況,采用線性自抗擾控制器對干擾項進(jìn)行觀測和補償,并在氣動系數(shù)隨機偏差、陣風(fēng)和紊亂風(fēng)場三種情況下,驗證了姿態(tài)控制效果,結(jié)果顯示干擾增大了對俯仰角的控制難度,但自抗擾控制器能很好地抑制外部干擾,準(zhǔn)確跟蹤指令角,說明該方法在飛艇運動過程中有很好的抗風(fēng)抗干擾效果。然后對于自抗擾控制器的調(diào)參問題,用灰狼優(yōu)化算法進(jìn)行控制器參數(shù)的優(yōu)化,從超調(diào)量、能量損耗和舵偏變化速率考慮,對性能指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。與手動調(diào)參的控制器相比,用灰狼算法進(jìn)行優(yōu)化后,調(diào)參更加方便且控制品質(zhì)有所改善,更符合實際工程需要,仿真結(jié)果驗證了灰狼算法在控制器優(yōu)化方面的有效性。最后一部分對全文進(jìn)行了總結(jié),提出了目前研究工作中不足的地方和需要改進(jìn)的方向。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：V279
【部分圖文】：

圖 1-1 LEMV 軍用飛艇 圖 1-2 天空登陸者號飛艇巴西在無人飛艇領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究，取得了很豐碩的成果。1998 年起，通過國家對飛艇項目的大力支持，該國的研究機構(gòu)進(jìn)行了許多探索，進(jìn)一步完善了飛艇的數(shù)學(xué)模型，在控制方法和計算機仿真方面都有了不小的進(jìn)展，研究所獨立制造的 AS800 軟式無人飛艇成功進(jìn)行了試飛。在研究過程中，他們還嘗試了許多復(fù)雜的控制方法，如模糊控制、反步法控制和 H-infinity 控制等[3]，不僅如此，在試驗中還成功完成了預(yù)編程的飛行軌跡任務(wù)，實現(xiàn)了飛艇的定點飛行。在法國氣象研究部門和 Zodiac-Espace 公司的共同合作下，研制了一種外形像雙體船的飛艇 Dinozavre 用來預(yù)測天氣，同時可以作為中繼器進(jìn)行無線電信號傳輸。俄羅斯的飛艇產(chǎn)品多以中小型為主，在 2007 年的莫斯科航展中 Au-30 型巡邏飛艇作為主要產(chǎn)品被推出，該飛艇采用了先進(jìn)的材料和高科技電子輔助設(shè)備，在起降方式上也更加靈活，不僅可以垂直升空和降落，也可以像固定翼飛機一樣

圖 1-1 LEMV 軍用飛艇 圖 1-2 天空登陸者號飛艇巴西在無人飛艇領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的研究，取得了很豐碩的成果。1998 年起，通過國家對飛艇項目的大力支持，該國的研究機構(gòu)進(jìn)行了許多探索，進(jìn)一步完善了飛艇的數(shù)學(xué)模型，在控制方法和計算機仿真方面都有了不小的進(jìn)展，研究所獨立制造的 AS800 軟式無人飛艇成功進(jìn)行了試飛。在研究過程中，他們還嘗試了許多復(fù)雜的控制方法，如模糊控制、反步法控制和 H-infinity 控制等[3]，不僅如此，在試驗中還成功完成了預(yù)編程的飛行軌跡任務(wù)，實現(xiàn)了飛艇的定點飛行。在法國氣象研究部門和 Zodiac-Espace 公司的共同合作下，研制了一種外形像雙體船的飛艇 Dinozavre 用來預(yù)測天氣，同時可以作為中繼器進(jìn)行無線電信號傳輸。俄羅斯的飛艇產(chǎn)品多以中小型為主，在 2007 年的莫斯科航展中 Au-30 型巡邏飛艇作為主要產(chǎn)品被推出，該飛艇采用了先進(jìn)的材料和高科技電子輔助設(shè)備，在起降方式上也更加靈活，不僅可以垂直升空和降落，也可以像固定翼飛機一樣
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本文編號：2842281