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1、上海交通大学硕士学位论文平流层飞艇的压力控制摘要本文以我国平流层通信平台的研究项目为背景，对项目中的飞艇的压力控制系统的建模和控制问题展开了研究。与传统飞行器不同，飞艇的升力主要由气囊中升浮气体产生的浮力来提供。所以，对气囊进行压力控制是飞艇控制非常重要重要的一个环节。压力控制过程涉及飞艇的安全控制、升降控制、俯仰控制等，还与飞艇的动力系统以及外部大气环境和气象条件相关，因此具有相当的复杂性。压力控制系统的主要作用是有:(1)外形保持。飞艇是充气的柔性体,必须通过压力控制,使得飞艇在整个飞行过程中内外差压始终保持在一定范围之内,从而保持整个飞艇的外部形状。在飞艇上升
2、期间,外部大气压强降低,相应地,应通过差压阀门放气保持内外压差一致。在飞艇下降过程中,随着飞艇高度降低,外部压力增加,飞艇内部趋向负压,需打开鼓风机充气,维持压差。(2)升力控制。飞艇的主要升力源是它所受的浮力,外形压力保持系统使飞艇外形始终不变,飞艇所受浮力就主要取决于此高度的空气密度。由于大气密度随着高度的不同而有很大变化,因此在上升和下降过程中,I上海交通大学硕士学位论文为了调整飞艇的净升力大小,需要对飞艇内部空气与氦气比例加以控制。一般采用的方法是在飞艇前后各有一副气囊,通过对各个副气囊进行充放气,实现升力控制和纵向配平控制。作为研究压力控制问题的基础，飞艇
3、压力控制数学模型的建立是必要和关键的，这对于控制策略的制定、控制系统的设计都有着重要意义。考虑到在飞艇研制的初期，缺乏实验数据，所以本文采用机理分析的方法，在详细分析飞艇受力情况的基础上，依据力学原理分别建立了飞艇的浮力模型，压差模型和重心模型，作为研究飞艇压力控制问题的基础。本文将飞艇的压力控制分为两个方面：安全性控制和配平控制。在飞艇压力控制模型的基础上，分别对安全性控制和配平控制进行了稳定性分析。并运用实际数据进行了仿真。说明了压力控制的可行性。通过对飞艇压力控制系统模型的分析，本文将飞艇的压力控制问题转换为轨迹设计问题。首先设计出了气囊充放气的控制律。接下来
4、分别对理想情况、多充氦气、考虑发动机、考虑空气动力和阻力等情况进行了轨迹设计，说明各种情况下需要考虑的问题。并进行了仿真。最后，本文还说明了飞艇实际运行时应考虑到的一些因素。包括温度、压强、超热以及氦气纯度、气象条件以及飞艇长度等。分析了各个因素对飞艇飞行的影响。关键词平流层飞艇，压力控制系统，建模，控制，轨迹设计II上海交通大学硕士学位论文THEPRESSURECONTROLOFTHESTRATOSPHERICAIRSHIPABSTRACTAirshipshavewideapplicationsinthefieldsoftransportation,observa
5、tion,andtelecommunicationservices,etc.Now,theairshipcanalsobeusedforthestratosphericplatform.WiththebackgroundofthestratosphericplatformR&DprojectinChina,anunmannedairshipisbeingdevelopedastheverifyingplatformfortheproject.Inthiscontext,themodelingandcontrolmethodsoftheairshippressures
6、ystemarestudiedinthisthesis.Differentwiththetraditionalaircraft,theliftingforceisprovidedbythebuoyancyofairshipwhichisgeneratedbytheliftinggas(Helium)intheballonet.Sothepressurecontrolsystemofballonetisveryimportanttotheairship.Thepressurecontrolincludessafetycontrol,liftcontrolandpitc
7、hcontrol.Anditrelatewiththepropulsionsystem,theatmosphereenvironmentandweathercondition.Sothepressurecontrolofairshipisverycomplicated.-III-上海交通大学硕士学位论文Thefunctionofpressurecontrolinclude:(1)Shapemaintenance.Theairshipisanon-rigidgasbagwhichisfilledwithgas.So,itisnecessarytorestraint
