平流層飛艇的升降控制與水平面軌跡優(yōu)化.pdf

1、廈門大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立完成的研究成果。本人在論文寫作中參考其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表的研究成果，均在文中以適當(dāng)方式明確標(biāo)明，并符合法律規(guī)范和《廈門大學(xué)研究生學(xué)術(shù)活動規(guī)范(試行)》。另外，該學(xué)位論文為(的研究成果，獲得()課題(組))課題(組)經(jīng)費(fèi)或?qū)嶒炇业馁Y助，在()實驗室完成。(請在以上括號內(nèi)填寫課題或課題組負(fù)責(zé)人或?qū)嶒炇颐Q，未有此項聲明內(nèi)容的，可以不作特別聲明。)聲明人c掣：談飭參沙甚年7

2、月“，7工1日u。摘要平流層飛艇是一種輕于空氣的臨近空間低速飛行器，因為它具備全天候工作、高安全性、超長續(xù)航時間等特點(diǎn)，在通訊、監(jiān)測、勘探和運(yùn)輸?shù)确矫鎿碛衅渌w行器無可比擬的功能優(yōu)勢。平流層飛艇廣泛的應(yīng)用前景越來越受到世界各國的關(guān)注，飛艇技術(shù)己成為飛行器研究領(lǐng)域中一個前沿和熱門的研究方向。本文在對平流層飛艇的熱力耦合模型進(jìn)行了深入的研究和建立高保真模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出兩種具有獨(dú)特性的控制方案。兩種方案均統(tǒng)一設(shè)計了控

3、制壓差的環(huán)控系統(tǒng)和控制速度的飛控系統(tǒng)，實現(xiàn)了平流層飛艇升降過程中壓差和速度的協(xié)調(diào)控制，確保飛艇安全、平穩(wěn)和快速地升降。第一種控制方案基于矢推和吸排氣協(xié)調(diào)控制壓差和速度。此方案優(yōu)先考慮壓差控制，根據(jù)當(dāng)前內(nèi)外壓差，通過不完全微分控制算法設(shè)計壓差控制器控制當(dāng)前吸排氣量，保證飛艇內(nèi)外壓差始終處于安全范圍內(nèi)；再根據(jù)飛艇當(dāng)前吸排氣量、高度和速度等信息量，通過極點(diǎn)配置法設(shè)計速度控制器控制矢推裝置產(chǎn)生相應(yīng)的推力，輔助控制升降速度，使升降速度按照預(yù)先設(shè)計

4、的參考軌跡變化，實現(xiàn)飛艇升降過程的壓差和速度相互協(xié)調(diào)控制。第二種控制方案則基于拋物和吸排氣協(xié)調(diào)控制壓差和速度，升降過程完全依靠靜浮力，不需要垂直方向的推力執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該方案同樣優(yōu)先考慮壓差控制，通過吸排氣維持飛艇內(nèi)外壓差，保證壓差始終維持在期望范圍內(nèi)；通過拋灑壓艙物來配合控制飛艇速度，使飛艇在升降過程按照理想的參考軌跡安全、平穩(wěn)和快速地升降。為了檢驗兩種控制方案的魯棒性和有效性，本文利用可以模擬太陽照射等因素引起的熱效應(yīng)影響的飛艇熱力學(xué)模

5、型，進(jìn)行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明本文所提出的兩種控制方案均是有效的，并對各種熱效應(yīng)影響具有魯棒性。本文的另一部分工作關(guān)注的是平流層飛艇的水平面軌跡優(yōu)化問題。飛艇到達(dá)平流層并駐留工作之后，將不可避免地受到高空風(fēng)場中存在的隨機(jī)分量的干擾，而飛艇作為一種低速飛行器對風(fēng)場干擾具有很強(qiáng)的敏感性，當(dāng)它長距離逆風(fēng)巡航時往往需要消耗較多的能量。在高空飛艇能源供應(yīng)有限的情況下，研究飛艇在風(fēng)場干擾下的最優(yōu)巡航軌跡是非常必要和有意義的。針對此問題，本文分別研