直升机鲁棒控制器的设计研究

提出一种改进直升机悬停性能的控制方案。在直升机悬停控制器原速度回路的基础上增加鲁棒控制器,可提高直升机悬停参数变化的鲁棒性能。详细叙述了鲁棒控制器结合悬停控制器的设计方法,并用仿真结果说明了鲁棒控制器在本算例中所起的作用     

不断发展的倾转旋翼机

直升机由于具有不需机场而能垂直起降、悬停、前后侧飞等优良的飞行品质,在军事和民用中获得广泛的使用。但是由于直升机旋翼气动力的固有限制,直升机的飞行速度很难超过360km/h,这限制了直升机的发展。从20世纪40年代起,人们就在探索研究一种既具有直升机垂直起降、悬停、前后侧飞能力,又具有固定翼飞机航程远、高速度飞行性能的飞行器。曾探索过复合式直升机、前行桨叶概念、X 翼方案、旋翼折叠方案、倾转旋翼机等多种新原理     

尾梁边条对直升机气动性能影响试验研究

为克服旋翼产生的反扭矩,目前直升机上主要采用单旋翼带尾桨、双旋翼等布局方案,同时发展了尾梁环量控制及尾梁边条技术。本文应用旋翼/机身组合模型风洞试验方法,探究了尾梁边条对直升机悬停及前飞性能的影响。重点研究了悬停及不同前飞速度下,不同长度和不同安装角度尾梁边条对直升机气动性能的影响。试验结果表明,悬停状态尾梁边条可通过提供侧向力来增加机身扭矩,能够帮助尾桨卸载从而减少尾桨功率消耗。而前飞状态尾梁边条对直升机气动性能基本没有影响。     

基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计

为了提高旋翼转速优化直升机总体参数设计质量,基于不确定性多学科设计优化方法,对旋翼转速优化直升机的参数设计进行了研究。首先对最优旋翼转速的不确定性进行分析与建模,同时也考虑了直升机加工制造、材料老化引起的不确定性因素,对比发现最优旋翼转速是旋翼转速优化直升机设计中的主要不确定性因素;然后在协同优化框架下,分别建立了直升机飞行性能、直升机重量、飞行稳定性与变转速涡轴发动机性能计算模型;最后以续航性能为系统学科,悬停性能、飞行稳定性分别作为子学科,进行多学科的不确定性优化设计,得到了3种不确定性优化设计方案。通过对比分析可以发现：第2种方案为旋翼转速优化直升机的最佳参数设计方案,该方案满足悬停需用功率低于350 kW,飞行稳定性指数小于0.8等约束条件的概率不低于95.46%,并且直升机的最大航时期望值也较大。     

直升机悬停控制器的设计

直升机在空中定点悬停是飞行任务中的一个重要课题,只靠飞行员操纵来达到精确的悬停是非常困难的。本文利用现代控制理论来设计直升机悬停控制器,文中推导了最优控制算式,并在IBM—PC机上进行了数字仿真,结果表明该系统在悬停时具有较高的位置精度。     

“直升飞机”引起美海军的兴趣

得克萨斯州的卡特直升机公司与NASA一起设计“直升飞机”运输机混合验证方案,该机的大小能满足美国海军对更换C—2A飞机的要求。“直升飞机”是在卡特直升机公司方案基础上制造的,它综合了直升机、自转旋翼机和固定翼飞机的特点。“直升飞机”最后可能扩大到C—130那么大,它能像直升机一样起飞,悬停和着陆。     

直升机重装空投状态下的动态特性

为了研究直升机在重装空投过程中货物的运动对直升机姿态角的影响,首先建立了直升机CH-53D的动力学模型,并通过模型仿真结果和直升机飞行实验数据的对比验证了的直升机动力学模型的合理性。然后在直升机动力学模型的基础上,采用分离法建立了直升机重装空投两个阶段的动力学模型,并进行了直升机在悬停和前飞两种空投状态下的配平仿真。结果表明:相较于悬停状态空投,前飞状态空投具有更好姿态保持能力,主要表现在前飞状态下空投只会对直升机的纵向姿态角产生影响,而在悬停状态下空投对直升机的纵横向姿态角都会产生较大的影响。      

米-8型直升机侧风悬停反操纵原因与分析

本文以米-8型直升机侧风悬停试飞数据为依据,在涡原理论基础上,分析了反操纵现象,并做出侧风悬停方向舵曲线,供直升机驾驶员飞行时参考。     

基于ILMI的直升机悬停控制律设计

提出了一种新的直升机悬停控制律设计方法。在建立了直升机数学模型后,通过迭代线性矩阵不等式方法(ILM I)求解基于线性二次型的直升机悬停控制律,使得直升机能达到满意的悬停性能指标,并且明显降低了控制器的保守性。仿真结果表明,使用该方法设计的控制器同时满足动态性能指标和稳态性能指标,与使用标准线性二次型方法设计的控制器相比,其性能指标在横侧向提高了12.3%,纵向提高了13.7%。     

直升机垂直飞行状态气动参数辨识方法研究

准确计算直升机的悬停升限依赖于诸如桨尖损失系数,非均匀旋翼诱导速度分布,旋翼下洗引起的直升机增重效应及发动机与旋翼之间的功率传递系数等气动参数的准确度。然而,由于复杂的旋翼空气动力现象,准确预估以上气动参数有较大难度。本文提出了一种确定直升机垂直飞行状态上述气动参数的方法,该方法通过建立直升机垂直飞行状态的运动方程,实测直升机垂直飞行时的相关信息,采用参数辨识的方法得到直升机垂直飞行时的气动参数,然后,利用辨识结果确定直升机的悬停升限。结果表明该方法能有效地确定直升机垂直飞行时的气动参数及相应的悬停升限,且具有飞行试验简便,不受直升机装载和外界环境条件变化限制的特点。     

直升机悬停回转时尾桨载荷计算研究

本文推导了直升机尾桨线性和非线性的静、动力分析方法,从理论上推导出直升机尾桨叶在悬停回转时的运动学及动力学之间的关系,并对Z11型机悬停回转状态下尾桨叶载荷进行了计算。     

基于遗传算法的常规复合式高速直升机飞行性能参数优化

单旋翼带尾桨式的传统直升机受旋翼气动特性的不利影响，其最大飞行速度等性能受到制约，因此高速直升机成为国内外研究的热点。为研究基于遗传算法的参数优化对常规旋翼构型复合式高速直升机飞行性能的影响，本文采用动量叶素理论和Young曲线拟合相结合的方法建立了悬停和低速下负拉力状态螺旋桨气动模型，构建了基于遗传算法的飞行性能优化模型。以X3高速直升机为样例，对悬停、低速（200km/h）和高速（400km/h）分别进行优化，分析了直升机功率、操纵量和姿态角变化。结果表明，基于遗传算法的参数优化方法能提升特定速度下复合式直升机的飞行性能。悬停、200km/h和400km/h优化后的直升机总功率均降低，比基准值分别低16.3%、10.9%和19.6%。高速时最优直升机总功率主要依赖优化旋翼部件，通过显著降低旋翼总功率来实现。悬停状态的优化参数趋势和操纵量变化与400km/h优化后的相反，而200km/h优化后的旋翼参数变化趋势与悬停状态一致，螺旋桨参数变化趋势则相反。本文为未来高速直升机总体参数选择、飞行性能优化等提供一定的帮助。     

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。     

悬停直升机回波信号检测和分类

 分析了直升机回波信号的特征,根据其旋翼回波信号周期平稳的特点,通过对长观察时间获得的直升机旋翼回波信号的相关处理,提高对低信噪比闪烁脉冲串信号的检测能力以增大雷达对悬停直升机的检测距离。在此过程中,根据闪烁脉冲出现的周期,提出的基于互相关系数的检测器,可同时完成对悬停直升机的分类。给出了仿真和实际直升机回波信号的分析处理结果。     

共轴式直升机悬停纵向稳定性和操纵性分析

基于准静态假设，研究了共轴式直升机悬停纵向稳定和操纵性，给出了稳定性条件和动稳定性与静稳定性的关系及改善稳定性的方法；最后给出了气动导数和悬停高度对稳定性和操纵性的影响。研究表明：共轴式直升机悬停纵向振动运动主要表现为不稳定的周期性运动，而静稳定性和静操纵特性是成正比的。研究结果对进一步研究共轴式直升机的纵缶操纵稳性能具有一定的参考价值。     

侧风对舰载直升机悬停性能的影响

针对舰载直升机小速度、大侧滑的飞行状态,采用了旋翼非均匀入流模型,导出了直升机在风场中的运动方程。以某型机为例,对不同风速条件下直升机悬停时的平衡特性进行了计算分析。计算结果表明:左侧风对该机悬停性能影响最大,而尾桨操纵裕度要求左侧风速不能超过30m/s,与同类直升机的飞行数据吻合。分析模型为制订舰载直升机的风险图提供了理论依据。     

无人直升机悬停低速段的不确定性仿真验证

在无人直升机控制律的设计过程中,需要对无人直升机进行建模,并对飞行中产生的一些不确定性因素进行仿真验证.目前,很多不确定性因素的描述是在非线性的环境中加入一些简单的扰动,然而能够确切地描述无人直升机动态特性的非线性模型在MATLAB中很难搭建.为此,文章从工程研究的角度,提出了在无人直升机线性模型组的基础上进行不确定性仿真验证的方法,从物理特性的角度描述无人直升机在悬停低速飞行时的对象特性不确定性,选择不确定或扰动因子;在MATLAB中建立了仿真模型,进行了无人直升机悬停低速段不确定性的验证.此方法简单、快速,并且能正确地反应无人直升机悬停低速段的不确定性,具有一定的工程意义.     

Φ2米旋翼模型试验台悬停和前飞试验

为满足直升机选型试验及旋翼气动特性机理性研究的需要,中国气动研究与发展中心低速所研制了Φ2m旋翼模型试验台.试验台研制经历方案论证、分系统设计加工与研制、分系统安装调试、试验台总装及动力/传动系统联调等阶段,完成了地面调试和悬停试验,并在Φ3.2 m风洞完成了配平前飞试验,已形成2m直径量级旋翼模型桨尖马赫数相似的悬停试验和前飞试验能力,提高了直升机风洞试验和研究能力.     

全站型电子经纬仪在直升机悬停测试中的应用

全站型电子经纬仪在直升机悬停测试中具有实时、高精度、成本低廉的特点，本文介绍了全站型电子经纬仪在测试时的工作原理、方法，分析了它的主要误差拳。此设备已成功应用于两种直升机的悬停测试中。     

用参数辨识法进行直升机悬停性能拓展

准确计算直升机在不同飞行状态的有效气动参数对于确定直升机飞行性能具有重要意义。然而,由于复杂的旋翼空气动力现象以及直升机状态和环境条件的变化,准确预估气动参数有较大难度。为此,采用无量纲分析法建立直升机悬停状态的数学模型,首先对参数重组,确定了几个悬停状态重要参数,包括气动参数和直升机状态参数;然后,以直-9×型直升机为例,结合实际试飞数据,提出了用最小二乘法对该模型进行参数辨识的方法;最后,通过相关性分析,确定了辨识方法的可行性,并将辨识结果有效地用于直升机悬停性能拓展。结果表明,这种利用参数辨识进行性能拓展的方法是可行的,由于辨识结果是利用实际试飞数据确定的,拓展结果具有较高的可信度。这种数据处理方法可有效减少试飞周期,节约试验成本。