综合QFT与H∞方法的直升机飞行控制研究

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飞行员在操控直升机时,由于协调动作过多、操作反应有延迟从而一直处于高度紧张状态,承受很大的工作负荷。从这方面说,直升机的操作比固定翼飞机更难。因此,使用直升机飞行控制系统来提高飞行品质、缓解飞行员的操作压力是十分有必要的。直升机是一个多输入多输出、轴间耦合复杂、高阶次、非线性的复杂系统,不仅具有非常宽广的飞行包线而且其动力学模型还会因为飞行状态的改变而产生大幅度的变化,这些情况都给直升机飞行控制系统的设计带来了很大的困难。在此背景下,本文使用QFT与H∞相结合的方法对直升机飞行控制器做了设计研究。本文主要内容可以分为以下三个部分:1、通过对UH-60A直升机的飞行动力学建模分析获得了直升机的非线性动力学模型,经线性化后得到28阶的直升机线性化模型。分析该模型的稳定性和极点位置,分析结果表明直升机本身具有不稳定性,且各模态之间耦合情况十分的严重。本部分最后对军用旋翼机操纵品质要求ADS-33E的相关性能指标作了分析。2、分别分析了定量反馈理论(QFT)和内/外回路设计中使用到的H∞回路成形方法。定量反馈理论在应用于多输入多输出(MIMO)系统时需要先将多输入多输出(MIMO)系统等效变换为多输入单输出(MISO)系统,由于本文研究的对象是直升机28阶的高阶模型,所以这种等效转换是十分繁琐的。利用直升机的内/外回路设计思想,使用H∞回路成形方法设计解耦控制器可以实现直升机系统内回路四个通道的解耦从而完成MIMO系统的等效变换。将两者综合起来,先进行解耦再对内/外回路设计后的闭环系统进行QFT设计,将大大简化MIMO系统的QFT设计过程,提高设计效率。3、以UH-60A直升机的28阶线性化模型为研究对象,先用H∞回路成形的方法进行内回路设计,然后扩展到外回路设计。再用定量反馈理论设计方法对内/外回路设计后的闭环系统进行设计,得到了直升机飞行控制器。最后对控制器的性能进行分析,结果表明控制器性能指标满足ADS-33E中操纵品质等级HQR水平1的要求。
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