新型复合式无人直升机悬停/着陆控制

旋翼-涵道复合式无人直升机是一种具有特殊机体结构的新型无人直升机,悬停和着陆控制是该类无人直升机飞行控制设计的一大难点。依据复合式无人直升机运动机理建立了非线性动力学模型,在悬停配平状态下进行小扰动线化和降阶处理,给出了用于控制律设计和仿真的线性模型。运用期望隐模型和特征结构配置方法设计了姿态角速度与垂向速度控制内回路,内回路输出角速度积分得到的姿态角反馈和线速度反馈构成纵横向线速度控制外回路。悬停/着陆仿真验证了内回路能实现良好的角速度指令跟踪解耦控制,外回路能实现良好的悬停位置保持和着陆轨迹跟踪控制。     

基于自抗扰控制技术的无人直升机位置控制律设计

针对无人直升机抗风性能不足的问题,将自抗扰控制方法应用于无人直升机位置控制律,该位置控制律在常规内外回路控制架构的基础上,外回路采用非线性反馈,利用扩张状态观测器（ESO）进行动态扰动补偿。此文详细阐述了设计方法和工程应用问题。半物理仿真结果表明,该控制方案具有较强的抗扰动性,位置控制精度得到显著提升。     

基于径向基神经网络的不确定非线性系统的鲁棒自适应控制

 针对能够采用仿射非线性表示的含有不确定动态的非线性系统 ,提出了一种鲁棒自适应控制方法 ,该方法根据离线辨识出的受控对象的已知部分 ,采用神经网络在线辨识其未知部分 ,并针对辨识得到神经网络模型采用反馈线性化方法设计出自适应控制器 ,同时引入滑模控制方法以增强控制系统的鲁棒性 ,从而实现鲁棒自适应控制。通过对具有未建模动态的非线性直升机空气动力学模型 ,设计了总距通道系统。仿真表明该方法是有效的。     

无人直升机高精度位置控制

为了提高无人直升机在有限平台着陆时的位置控制精度,提出了一种高精度的位置控制策略。首先分析了无人直升机高精度位置控制的难点以及常规位置控制策略存在的不足;其次,基于非线性反馈PID的原理,并结合无人直升机着陆阶段位置控制的特殊性,确定了高精度的位置控制方案以及控制参数的设计方法。仿真结果表明,在强扰动环境下,高精度位置控制策略比常规位置控制策略具有更高的位置控制精度和更强的扰动抑制能力,对提高着陆的安全性有非常重要的意义。     

直升机飞行动力学逆问题研究综述

直升飞机动力学逆问题是已知运动的控制规律,对直升机机动飞行和现代飞行控制律设计有重要意义。根据直升机飞行动力学逆问题研究的现状,概述现代飞行动力学逆问题的研究内容及进展,重点分析直升机逆仿真技术的特点,讨论直升机最佳机动控制与非线性控制律设计的途径与方法,展示直升机逆问题研究的前景以及存在的问题,供直升机设计和飞行动力学研究人员参考。     

用于直升机在大气紊流中的旋翼状态反馈控制

发展了一种集成旋翼状态反馈(Rotor-State Feedback,RSF)控制的飞行控制系统,以提升直升机在大气紊流环境中低速飞行时的飞行品质。基于经典显模型跟踪控制系统,对机体和旋翼状态反馈增益进行协同设计,以综合优化旋翼/机体耦合动稳定性和直升机在飞行品质相关频率范围(1~12rad/s)内的紊流缓和能力。同时,设计了一个旋翼前馈控制以增强直升机的操纵响应特性。对直升机飞行品质的线性分析表明:RSF控制的引入能够在实现旋翼/机体耦合动稳定性控制的同时使滚转和俯仰通道的指令跟踪延迟时间分别降低21.87%和25.82%,扰动抑制带宽分别提升243.22%和72.56%。最后以飞行试验验证的高阶非线性飞行动力学模型进行数值模拟验证控制系统。结果表明:RSF控制的引入使直升机滚转、俯仰角速率对紊流响应的标准差分别降低55.68%和26.81%。集成RSF的控制系统能够提升直升机在紊流中的飞行品质。     

基于加速度计和角速率陀螺的超小无人直升机姿态控制系统

设计了一种基于加速度计和角速率陀螺的超小型无人直升机姿态控制系统；由卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺数据，实时估计最优的直升机姿态信号；根据最优的姿态反馈信号，飞行控制系统采用参数自整定的模糊PID控制方法得到舵机控制信号，从而实现了超小型无人直升机的姿态控制。     

基于轨迹线性化的无人直升机轨迹跟踪控制

针对无人直升机非线性、强耦合的特点,将轨迹线性化的方法应用到无人直升机的轨迹跟踪当中。首先对无人直升机的六自由度刚体模型进行简化,将其转化为四个等效的仿射子系统;然后以位置运动学子系统为例按照轨迹线性化的方法通过开环前馈求伪逆和闭环反馈调节跟踪误差进行控制律的详细设计;最后给出某型民用无人直升机跟踪两种典型轨迹的仿真结果,验证了应用轨迹线性化方法进行轨迹跟踪的有效性。     

基于系统分解的三自由度直升机控制仿真研究

三自由度直升机模型是多变量、非线性、强耦合的复杂控制对象,针对对象维数较高,控制器不易设计的问题,提出了一种基于系统分解的控制方法。首先建立了直升机的数学模型,并通过输入-状态线性化方法将模型线性化;其次将模型分解为两个子系统;最后分别采用无静差跟踪方法与PD控制方法设计子系统控制器。该方法通过模型分解,可大大降低控制器设计难度。仿真结果表明直升机姿态轨迹跟踪效果良好。     

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

小型无人直升机建模与鲁棒飞行控制研究

以某小型无人直升机为对象,采用分体法分析了机体各部分受力情况。根据力与力矩的平衡关系,获得了无人直升机完整的非线性飞行动力学数学模型。基于所建模型,进行了所有飞行状态下无人直升机的配平计算。根据配平结果,获得了悬停时的线性状态空间模型,在考虑风扰动前提下,采用H∞静态输出反馈控制方法对无人直升机内外回路控制器进行了设计。仿真结果表明,所建模型的配平结果与实际直升机特性基本相符,验证了模型的有效性;H∞综合控制方法较好地实现了对扰动下无人直升机状态的控制,表明该算法具有良好的鲁棒性、解耦性及跟踪特性。     

小型无人直升机发动机控制系统设计

发动机转速控制是无人直升机飞行控制的基础,针对小型无人直升机使用的活塞式发动机,给出了一个发动机转速控制系统.通过对发动机输出功率特性、负载特性和动力学特性的分析,建立了发动机的数学模型.采用前馈与反馈的复合控制策略,并通过半物理实时仿真和发动机开车数据的验证,该控制系统具有较好的效果.      

Active control for performance enhancement of electrically controlled rotor

Electrically controlled rotor(ECR) system has the potential to enhance the rotor performance by applying higher harmonic flap inputs. In order to explore the feasibility and effectiveness for ECR performance enhancement using closed-loop control method, firstly, an ECR rotor performance analysis model based on helicopter flight dynamic model is established, which can reflect the performance characteristics of ECR helicopter at high advance ratio. Based on the simulation platform, an active control method named adaptive T-matrix algorithm is adopted to explore the feasibility and effectiveness for ECR performance enhancement. The simulation results verify the effectiveness of this closed-loop control method. For the sample ECR helicopter, about 3% rotor power reduction is obtained with the optimum 2/rev flap inputs at the advance ratio of 0.34. And through analyzing the distributions of attack of angle and drag in rotor disk, the underlying physical essence of ECR power reduction is cleared. Furthermore, the influence of the key control parameters, including convergence factor and weighting matrix, on the effectiveness of closed-loop control for ECR performance enhancement is explored. Some useful results are summarized, which can be used to direct the future active control law design of ECR performance enhancement.     

Prediction of pilot workload in helicopter landing after one engine failure

This paper presents a method to predict the pilot workload in helicopter landing after one engine failure. The landing procedure is simulated numerically via applying nonlinear optimal control method in the form of performance index, path constraints and boundary conditions based on an augmented six-degree-of-freedom rigid-body flight dynamics model, solved by collocation and numerical optimization method. UH-60A helicopter is taken as the sample for the demonstration of landing after one engine failure. The numerical simulation was conducted to find the trajectory of helicopter and the controls from pilot for landing after one engine failure with different performance index considering the factor of pilot workload. The reasonable performance index and corresponding landing trajectory and controls are obtained by making a comparison with those from the flight test data. Furthermore, the pilot workload is evaluated based on wavelet transform analysis of the pilot control activities. The workloads of pilot control activities for collective control, longitudinal and lateral cyclic controls and pedal control during the helicopter landing after one engine failure are examined and compared with those of flight test. The results show that when the performance index considers the factor of pilot workload properly, the characteristics of amplitudes and constituent frequencies of pilot control inputs in the optimal solution are consistent with those of the pilot control inputs in the flight test. Therefore, the proposed method provides a tool of predicting the pilot workload in helicopter landing after one engine failure.     

四旋翼无人直升机飞行控制技术综述

四旋翼无人直升机因具有良好的性能而成为近十几年来的研究热点,针对四旋翼直升机的飞行控制技术进行了简要综述。首先,通过分析四旋翼无人直升机的飞行控制特性,指出了飞行控制系统设计的要求和难点;然后,总结了四旋翼直升机飞行控制的研究现状,对几种常用控制算法的特点进行了分析;最后,在分析四旋翼无人直升机关键技术的基础上,讨论了四旋翼飞行控制的发展趋势。     

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

一种无人直升机的双发动机控制策略

针对某无人直升机双发动机控制问题,提出两台发动机采用并联控制方式使其输出功率保持一致,利用两个发动机转速较高者替代旋翼转速作为转速反馈信号,提高旋翼转速的平稳性,并给出了影响旋翼转速平稳性的两个主要扰动因素总距和前飞速度的前馈补偿控制量的试验测量和计算方法;进一步利用两个发动机缸头温度差对其控制量进行差动补偿,从而使得两个发动机的输出功率趋于一致,提高传动系统的平稳性,抑制机身扭振.最后,通过地面系留试验和试飞试验验证了该控制策略的可行性和有效性.      

基于误差通道在线辨识的直升机结构振动主动控制研究

 提出一种基于误差通道在线辨识的有源控制方法,并把它应用于直升机结构振动的主动控制。针对一直升机模型与前人的方法进行了比较,并进行多输入多输出的主动控制仿真。仿真结果表明,这种控制方法明显优于前人的方法,说明这种基于误差通道在线辨识的多输入多输出的主动控制方法对直升机结构振动有很好的抑制作用。     

某型无人直升机带传动离合器控制系统

针对某型直升机无人化改装过程中带传动离合器的控制要求,探讨一种具有安全保护功能的控制系统.通过分析带传动离合器的操纵原理和控制特性,提出了控制系统的设计需求,确定了控制系统的总体方案.采用转速反馈和间歇接合的控制方法,实现离合器的自动接合,避免发动机转速降幅过大.通过采集着陆信号,采取硬件注销的方式,避免无人直升机在飞行中响应离合器分离等危险指令.采用转速反馈和磁电机间歇接地的控制方法,防止发动机在离合器未接合的情况下超速.在某型无人直升机上分别进行自动接合试验和超速保护试验,在地面模拟进行空中/地面保护试验.结果显示:自动接合试验中发动机最小转速为960r/min;超速保护试验中发动机瞬时最大转速为2016r/min,最小转速为1088r/min,超速持续时间为0.5s;空中/地面保护试验确认了地面状态指令正常执行和空中状态指令注销的功能.试验结果表明:该控制系统设计方案满足无人直升机的使用需求.      

舰载直升机的舰面效应研究

直升机的舰面效应影响舰载直升机的飞行安全.本文介绍了舰面效应的特点,并以直升机地面效应模型为基础,参考国外有关资料,建立了舰载直升机舰面效应模型,并讨论了舰面效应模型的求解方法.最后以某型直升机为例,计算了舰面效应对操纵性的影响.